基于三極裝置的三維直流電法探水研究及應用

郭玉成

（山東能源魯西礦業單縣能源陳蠻莊煤礦，山東 菏澤 274300）

底板突水嚴重制約著煤礦的安全開采。為保證煤礦的安全開采，探測煤礦工作面底板巖層富水情況便顯得尤為重要。三維直流電法是在工作面周圍鋪設電極和電纜，然后采用AMN 和MNB 三極裝置進行數據采集，接下來對采集的數據進行反演，得到工作面底板三維數據體，最后結合水文地質條件，圈定底板巖層低阻異常區。本文以陳蠻莊煤礦3602 工作面為背景開展研究，利用基于三極AMN與MNB 裝置的三維直流電法探查工作面底板富水情況，為礦井防治水工作提供指導。

1 研究區概況

1.1 工作面概況

陳蠻莊煤礦3602 工作面地面位于后石莊村以北，劉店池村以南，地面大部分為農田，周邊無河流水渠。3602 工作面為3600 采區西翼近3 煤層露頭工作面，該工作面井下位于3600 膠帶上山、3600 軌道上山以西，3604 工作面以南，DF15 斷層（落差0～20 m）保護煤柱東南，井田邊界保護煤柱及3 煤層露頭保護煤柱以北。

1.2 水文地質條件

根據礦方提供《山東省單縣煤田陳蠻莊煤礦生產地質報告》中水文地質資料以及揭露鉆孔后得到的地層柱狀圖可知，井田地層由老到新分別為奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系和第四系。

礦井含水層自上而下主要有新生界松散層孔隙含水層（組）、二疊系山西組3 煤層頂底板砂巖裂隙含水層、太原組三灰、十下灰、十一灰巖溶裂隙含水層以及奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。

礦井內隔水層主要有新生界松散層隔水層（組）、二疊系石盒子群隔水層（組）、3 煤層至三灰間隔水層（組）及17 煤層底板至奧灰間隔水層（組）。其中煤層底板至奧灰間隔水層礦井內7孔穿透，厚度43 m 左右，巖性主要是泥巖、粉砂巖及薄層灰巖，正常情況下能起到良好的隔水作用，但局部受斷層影響而導致間距縮短，隔水層變薄，致使開采下組煤時奧灰水底鼓突水，對采煤構成威脅，是在礦井防治水工作中需要注意的地方。

2 三維直流電法布置

2.1 基本原理

基于煤層與巖石的電阻率之間存在的差異，三維直流電法通過采取合適的測量裝置，在所給定的穩恒電流場下，得出直流電場在地下空間中的分布及變化的趨勢。通過研究地下空間視電阻率的大小及變化規律推斷地下空間分布情況，最后達到測深、找水、找礦和解決其他地質問題的目的[1]。

2.2 施工設計

三維直流電法測量電極沿3602 工作面環形布設，其位置始于導線點S9 附近，止于導線點E13附近，共布設電極79 個，軌道順槽、膠運順槽分別布設電極21 個、42 個，切眼位置施工16 個電極。每60 根電極設置1 測量站，共計實施2 站。具體如圖1。

圖1 3602 工作面三維直流電法布置圖

2.3 工作方法技術

本次三維直流電法采用三極AMN 與MNB 裝置[2]（圖2），該裝置記錄點為MN 中點，測量斷面為矩形。該裝置具有采集數據點多，探測深度大，在深度方向上相比四級裝置AMNB 分辨率更高，電阻率的橫向變化對數據采集的質量影響小，更為穩定等優點。

圖2 三極（MNB、AMN）觀測示意圖

具體工作方法為：

1）按照設計點位將電極布設在巷道中，點距10 m，并在巷道一幫噴寫電極號。為減小接地電阻，電極埋設密實而無虛接，入地層深度不小于三分之二電極長度。

2）布設無窮遠極。為了消除非無窮遠極距情況下無窮遠電極對采集數據的影響，需要滿足無窮遠極距測線距離至少大于等于5 倍AO 或BO 距[3]（AO 為供電電極A 與測量電極MN 中點的距離，BO 為供電電極B 與測量電極MN 中點的距離）。

3）利用RS232 連接主機與轉換器，用導線連接A、M、N、B 四個接線柱，最后接通外高壓電源。

4）開機檢查各電極接地電阻，對接地電阻較大的電極，選擇澆水或更換位置。

5）電極處理完成后，設置斷面號、剖面層數（28層）、滾動數（28 個）等參數開始測量。

3 結果分析驗證

經過三維直流電法反演處理后導出反演數據，利用三維可視化軟件對數據進行成圖處理，繪制三維數據體，得到頂底板不同方向的切片圖。在繪制三維數據體之前，本文首先統一坐標系，經第79電極位置向軌道順槽做垂線，交點作為坐標系原點，經坐標原點的軌道順槽方向為X 軸的正方向，由軌道順槽到膠運順槽切眼巷道的方向為Y 軸的正方向，垂直頂板方向為Z軸的正方向。坐標系統確定后，本文繪制了3602 工作面三維數據體，并基于電阻率變化及范圍的大小來確定工作面內異常區的分布情況。

本文圖中電阻率的大小通過圖片灰度的深淺來進行區分，以便得到更加清楚直觀的分布情況圖。圖中電阻率低于20 Ω.m 的區域定義為低阻異常區（利用對數形式表示為電阻率對數值小于1.2 的區域，即圖中灰度較深的區域）。通過圖3 的3602工作面底板巖層視電阻率數據體可獲取3602 工作面底板巖層視電阻率數據體具體分布情況。為了更加直觀地體現異常體的分布，將電阻率低于20 Ω.m的區域單獨顯示繪制，得到3602 工作面底板視電阻率低阻異常體分布圖，如圖4。

圖3 3602 工作面底板巖層視電阻率數據體

圖4 3602 工作面底板視電阻率低阻異常體分布圖

結合在不同的剖面下所得的底板視電阻率剖面圖可以確定以下異常區位置：在X 方向120～220 m、Y 方向0～30 m、深度30～70 m 范圍內出現低阻異常區；X 方向290～420 m、Y 方向0～30 m、深度10～60 m 范圍內出現低阻異常區；X 方向300～360 m、Y 方向0～30 m、深度10～50 m 出現低阻區；在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度10～90 m范圍內出現低阻區。可推斷以上低阻區巖層內含水多，導電能力強，呈現低阻異常響應。

結合相關的地質、水文資料、鉆探資料及圖3、圖4，根據電阻率大小和空間展布規律，繪制了3602 工作面低阻異常區分布圖如圖5。

圖5 3602 工作面低阻異常區分布圖

由圖5 可知，利用三維直流電法探測圈定了4個低阻異常區，其中YC1 主要分布在軌道順槽中300～350 m、Y 方向0～30 m、深度為30 m 范圍內；低阻異常區YC2 主要分布在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度0～90 m 范圍內；低阻異常區YC3 主要分布在膠運順槽X 方向300～400 m、Y 方向140～170 m 范圍內；低阻異常區YC4 主要位于膠運順槽X 方向120～220 m、Y 方向150～190 m、深度20～70 m 范圍內。可推斷以上區域由于受到DF19 斷層的影響，造成局部區域內巖層含水量大，導電能力增強，從而呈現低阻異常響應。

通過三維直流電法進行探測后，有針對性地對圈定異常區位置進行鉆孔驗證。在對異常區YC1 的鉆孔驗證中，通過揭露鉆孔發現該區域富水性強，揭露鉆孔出水處涌水量為6 m3/h，鉆孔驗證情況與探查情況相吻合。

4 結論

三維直流電法探測技術可以有效地探查工作面底板富水情況，利用電阻率三維可視化軟件可以圈定低阻異常區的位置，并通過鉆探驗證了該低阻異常區的準確性，進一步說明了三維直流電法探測技術具有很強的實用性和推廣性。