高密度电法在探测煤矿地下水及岩溶中的应用

刘超;张义平;肖川;王祎

【摘 要】近年来,虽然国家十分重视煤矿水害防治工作,煤矿也加大了治理力度,但是煤矿突水事故频繁,造成人员伤亡量大,进而煤矿水害的防治成为重点.高密度电法具有测点密度高,在查明采空区,探测岩溶发育和寻找地下水源方面取得了较好的效果.通过具体的实例加以分析高密度电法在矿井水害防治中的现实指导意义,为煤矿的水害防治工作奠定基础.%In recent years, although the government attached more attentions to prevent mine water hazards, and the

coalmines increased more efforts to reform too, the water inrush accidents still happened frequently and caused amount of deaths and injuries. So the prevention and treatment of water inrush accidents become an important point. Because of the high density of the measuring points, high-density electrical method achieves great effects in the field of mine-out area identifications, Karst growth explorations and underground water

acquirements. A foundation in the prevention of the coalmine water inrush accidents is settled by analyzing specific examples which showed the practical guidance role high-density electrical method plays in the prevention and treatment of coalmine water inrush accidents. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2012(012)028 【总页数】5页(P7170-7174)

【关键词】矿井水害;高密度电法;防治;地下水;岩溶 【作 者】刘超;张义平;肖川;王祎

【作者单位】贵州大学矿业学院;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;湖南科技大能源与安全工程学院,湘潭411201 【正文语种】中 文 【中图分类】P1.72

高密度电法是指直流高密度电阻率法，实际上是一种陈列勘探方法。但由于从中发展出的直流激发极化法，所以统称高密度电法。在野外测量时，只需将全部电极(几十至上百根)至于测量点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。高密度电法具有以下的特点:(1)电极布设是一次完成的;(2)能有效的进行多种电极排列方式的扫描;(3)野外数据采集实现了自动化和半自动化，且收集速度快的优点;(4)可以自动资料进行分析，生产曲线图形［1］。 1 我国煤矿水害分布情况

数层石炭系薄层灰岩，其下为巨厚的奥陶系灰岩或寒武系灰岩(以下分别简称薄灰、厚灰)。由于厚灰含水层富水性极强，加上构造复杂、断裂及裂隙发育，从而导致厚灰与薄灰间有密切的水力联系，使得煤层回采过程中时刻受到岩溶水的严重威胁。华南地区主要开采二叠系煤层，该处降水量在(1 000—2 500)mm/a，本区的水害主要以灰岩充水为主，加之降水量较大，成为矿井水害的主要原因。东北地区平均降水量为(400—800)mm/a，由于煤层埋藏深度较大，该区主要水害为奥陶系巨

厚灰岩含水层。西北地区的、青海等地区，主要开采侏罗系地层。西北地区气候干燥，常年降水量小。但由于该去煤层埋藏浅，开采后易造成顶板破碎，使破碎带延至地面，此时煤矿的水害主要来自煤层顶板的裂隙含水层和第四系潜水。 2 高密度电法探水的原理［3，4］

高密度电法属于电法勘探的电阻率法，基于常规电阻率法勘探原理并利用多路转换器的供电，测量电极的自动转换，配合常规电阻率的测量方法及电阻率成像等高等技术进行高分辨、高效率电法勘探。它是通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，用供电电极(A，B)向地下供直流电流(或超低频)，同时在测量电极(M，N)间观测电势差(ΔUmn)，并计算出视电阻率

我国是煤矿水害“压煤”最多的国家，全国统配煤矿共601处，受水威胁的矿井285处，占47.5%。受水害威胁导致不能开采的煤炭上百亿吨，占总储量的20%以上，“压煤”数量巨大［1］。我国煤矿主要分布在以下几个地区(如图1)［2］:华北地区主要开采的主要是石炭二叠系煤层，在煤系地层中分布有(ρs)，各电极同时或不同时沿选定的侧线按规定的电距间隔移动。预先人工打好电极，仪器自动切换，快速完成野外数据的采集。图2用微机控制的多电极采集数据

图1 我国煤矿水害分区图1—华北水害区，2—华南水害区，3—东北水害区，4—西北水害区，5—、滇西水害区，6—水害区

高密度电法高密度的滚动扫描测量，既丰富了地电信息，提高了电性分辨能力，又减少了人为影响因素，提高了工作效率。当测量结果送人微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。电阻率层析成像又使高密度电法技术大大向前迈进了一步。因此，高密度电法的工作原理基于垂向直流电测深、电测剖面和电阻率层析成像。 1.1 垂向直流电测深原理［5］

直流电测深法是研究指定地点岩层的电阻率随深度变化的一种物探方法。该方法是

在地面上以测点为中心，从近到远逐渐增加观测装置距离进行测量，根据视电阻率随极距的变化可划分不同的电性层，了解其垂向分布，计算其埋深及厚度。 1.2 电测剖面原理

电测剖面法就是在供电和测量电极保持一定距离，按一定的探测深度，沿着测线方向逐点进行观测，获得电阻率曲线，以此反映一定深度内电性层的变化情况，即电阻率剖面法是研究岩层电阻率在一定深度范围内的水平方向上物性变化的探测方法。 1.3 电阻率层析成像［6］

所谓层析成像，就是从调查对象的各个方向，收集其内部大量的投影数据，用其反映目标体内部的物性值分布，作为断面再构成图像的一种技术。最早的层析成像起源于医学中的X射线层析成像CT。电阻率层析成像(简称电成像)是利用探测区周围在各个方向观测的直流电场来研究地下介质电阻率分布。在介质中发射一次电流，由于地下介质的不均一性，使得一次电流的分布发生变化，这一变化又引起电位的改变。介质中空间变化的电位，在地面和井孔中都可观测到。将观测到的电位转换成电阻率，因其是通过多方位观测得到的投影数据资料，故最终能用以进行电阻率层析成像。高密度电阻率法为电阻率层析成像提供了一个开拓性的思路，到20世纪90年代初，二维电阻率成像测量技术取得/快速的发展，利用它可以重构地下介质的精确结构。

图2 微机控制的多电极采集数据C1，C2—供电电极;P1，P2—测量电极;a—电极距 3 工程实例

现在以贵州省遵义县××煤矿为例进行研究。 3.1 水文地质条件

矿区属于长岗向斜东翼中段，中部为一条近东西向次一级分水岭横贯，其西北坡多呈缓坡状，冲沟发育，而东南坡地形陡坎连绵，岩溶发育。区内海拔标高为

(+915～+1 529)m。地表水系发育，沿纸房—岩孔区域分水岭之北侧发育近东西向的五马河及北东向的干溪河，属于赤水河水系;南侧发育数条树枝状水系，汇入偏岩河，属于乌江水系。 3.2 地层岩性电性特征

根据灰岩、粉砂岩粉质土、煤、伪煤不同岩矿石的电阻率物性特征，各种岩矿石的电性差异特征概述如表1。

表1 矿区不同的岩矿石电性参数统计表岩性特征 电阻率/(Ω·m)灰岩 100—8 000粉砂岩、页岩 50—1 000粘土 1—200煤100—300伪煤 200—300 矿区不同岩矿石具有以下电性特征:

(1)高阻地质体主要是致密块状灰岩，采空区以及岩溶空洞;

(2)硅质岩，页岩、粉砂岩为低阻体。地下水为低阻地质体。一般情况下地下水电阻率值为几欧姆米至几十欧姆米。

(3)粉砂岩、泥岩的电阻率较高，极少数电阻率较高; (4)煤层一般为低阻地质体，极少数电阻率较高; (5)伪煤含有大量的黏土和黄铁矿成分，电阻率值较低。

根据以上特征，矿区不同的岩矿石电性差异明显，适宜开展电法工作。 3.3 野外施工

贵州省遵义县××煤矿共布置7条测线，测线长工6 600 m，观测点距10 m，共计测点660个，测线布置图如图3所示。主要采用温施1装置模式，勘查深度要求150 m，高密度电法勘探能够满足要求。 3.4 数据收集与图像处理 图3 遵义××煤矿侧线布置图

使用高密度处理软件Geogiga RTomo进行数据处理，和传统电法相比，高密度电法的最大优点是它反映的地电信息量大，这样，由实测数据对整个断面进行反演

成为可能，广义地说，这种反演就是电阻率成像。读入一个数据组之后，使用“编辑数据”选项来检查突变测量点。这样的突变测量点可能是电极系中的某个电极替换时失败;不良的接地电极是由于干燥的泥土;短路电缆是由于非常潮湿的大地条件所导致的，这些突变测量点通常比相邻的数据测量点的电阻率值明显地很大或者很小。处理这样的突变测量点的最好方法是剔除它们，以使它们不影响所获得的模型。如果数据组有地形数据，反演数据组之前，选择“地形”选项来计算地形改正。反演迭代地层真电阻率，因为模型模块的数据敏感度值因电阻率的巨大变化而作了重大变形。像这种在一个较低的低阻体之上的一个测量，其电流路径将被扭曲，以至于子表面的部分不能作很好的图形，而且在反演模型中有非常低的数据敏感度值。正好在低阻体的下面能导致巨大的失真。通过合并the Marquardt(或者电桥回归)和Occam(或者平滑——约束)反演方法，有些情况下的失真也许被减小。绘制电阻率断面图，根据岩层电阻率特征和异常特征设计色谱，形成电阻率成像断面色谱图［3］。经过处理，得到遵义县平正乡枫香煤矿煤矿色谱断面图如图4～图8。 3.5 物探资料分析

数据处理后得到电阻率色谱断面图，断面图的横向坐标为物探线布置方向，纵向坐标代表深度，单位为米，最大勘探深度约300 m，这是进行资料解释的主要依据。结合本测区的水文地质特征，通过4剖面图，可以发现33号电极附近视电阻率等值线向下凹起呈低阻板状体异常，走向北东，倾向北西，推测该区域为节理裂隙异常;45号至47号电极视电阻率等值线呈低阻圈闭合异常，视电阻率低于100 Ω·m，推测为采空区，此异常对煤炭采掘有影响。通过5剖面图，可以发现20.8号点至22点、69.5号点至73.2号点在断面图上视电阻率等值线呈高阻圈闭，形状近似椭圆，视电阻率大于2 000 Ω·m，推测为岩溶空洞异常，此异常对煤炭采掘无影响。通过6剖面图，可以发现40号点至41号点、49号点至50号点在断面图上视电阻率等值线向下凹起呈低阻板状异常，推测为节理裂隙异常。通过7剖面图，

可以发现66号点在断面图上视电阻率等值线向下凹起呈低阻板状异常，走向北东，倾向近西，推测为节理裂隙异常。

图4 遵义××煤矿物探1线电阻率色谱断面图 图5 遵义××煤矿物探3线电阻率色谱断面图 图6 遵义××煤矿物探5线电阻率色谱断面图 图7 遵义××煤矿物探5线电阻率色谱断面图 4 结论与建议

(1)高密度电法超前探测可靠性高，对于预测隐伏导水构造(尤其是小构造)和富水带位置及地下水准确性高。

(2)高密度电法在寻找地下水方面具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力高的特点。

(3)高密度电法对于预测矿井井下岩溶位置具有指导意义。

(4)布设测线时尽量避开高压线等外界干扰，布线尽量要直，点的密度可以小一点。 参考文献

【相关文献】

1 董书宁.中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素.北京:煤田地质与勘探，2007;(5):52—56 2 王士鹏.高密度电法在水文地质和工程地质中的作用．北京:水文地质工程地质，2000

3 董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用．地学前缘(中国地质大学)，2003;10(1):171—176 4 董浩斌.高密度电法的发展与应用．北京:地学前缘，2003;10(1):171—176 5 李金铭.地电场与电法勘探．北京:地质出版社，2005 6 李金铭.地电场与电法勘探．北京:地质出版社，2005