三维直流电阻率法芦岭煤矿底板探水中的应用研究

赵存莉，胡德文，曹贤胜

（淮北矿业股份有限公司芦岭煤矿地测科，安徽 宿州234000）

1 引 言

矿井底板水是工作面回采中经常遇到的地质灾害。随着煤矿开采深度的加大，开采条件也更加复杂，由于底板突水造成的安全事故也随之增多。而对于煤层底板富水性评价的方法主要有3种：地质分析法、直接钻探、物探测试[1]。地质分析法简单可行，且成本较低，但准确度不高，地质钻探方法能直接预报地质疑点的富水情况，但成本较高，施工繁琐。而物探测试是最近十年来广泛应用于煤矿生产的一种新兴方法，其精度高、速度快、成本低等优点满足了煤矿安全、高效生产的需求。与地下水有关的探测主要包括矿井直流电法勘探技术[2]、无线电波透视技术[3]、音频电透视技术[4]、矿井瞬变电磁技术[5]、红外探水等[6]。煤层底板含水地层与周围岩性在电阻率方面存在极大差异，不富水煤层底板地层呈高阻状态，含水地层是低阻，基于该物性差异，可使用直流电阻率方法来预测底板水的大体赋存情况。

本文利用新的电法仪器设备 （网络并行电法仪WBD－GD），对芦岭煤矿10采区Ⅱ1042工作面进行了探测，借助三维反演技术对采集的数据做了处理，并取得了一定的成果。

2 网络并行电法探测技术及三维反演原理

直流电法探测是以探测区域的电性差异为基础的，由于被探测介质与其围岩介质存在较大的电性差异，可以采用电法探测技术划分出异常情况。传统电法勘探有电测深、电剖面和高密度电法技术，本次探测中采用的是网络并行电法技术[6－7]。

网络并行电法是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。它既具有集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度组合功能；同时，还具有多次覆盖叠加的优势，大侧向探测距离为电极控制段的长度。由于采用网络并行技术，在数据采集时具有同时性和瞬时性，使得电法图像更加真实合理，大大提高了视电阻率的时间分辨率。本次探测使用的网络并行电法仪，目前仪器有64道电极。传统的高密度电法仪器均为一次供电，有两个测量电极测一次电位值，电极间的转换依靠电极转换器实现，即为串行采集数据。网络并行电法，最大优势在于任一电极供电，可在其余所有电极同时进行电位测量，即并行采集电位，同时可清楚地反映探测区域的自然电位、一次场电位和二次场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪大大提高，是电法勘探技术的新发展，是国内外率先使用的方法。传统的高密度电法仪采集方式分为二极、三极、偶极、对称四极、微分等多种温纳装置，每次采集选用某一种。而网络并行电法仪数据采集方式仅两种：AM法和ABM法 （图1）。AM法采集：如测线上布置64个电极，则任一单电极 （A极）供电时，其余63个电极 （M极）同时采集电位，一次采集的数据可进行所有点电源场的电阻率反演，包括二极、三极等装置；ABM法：由任两个电极组成偶极供电 （AB极），其余62个电极 （M极）同时采集电位数据，一次采集的数据可进行所有双点电源场的电阻率反演，包括偶极、对称四极、微分装置。这样网络并行电法仪数据采集效率与串联采集相比，不仅采集效率大大提高，而且可进行多种装置电阻率反演，包括目前广泛使用的高密度电法和高分辨地电阻率法[9，10]。

图1 网络并行电法采集电位图 （a：AM法；b：ABM法）

电阻率三维反问题的一般形式可表示为Δd＝GΔm

式中：G为Jacobi矩阵；△d为观测数据d和正演理论值d0的残差向量；Δm为初始模型m的修改向量。对于三维问题，将模型剖分成三维网格，反演要求参数就是各网格单元内的电导率值，三维反演的观测数据则是测量的单极－单极电位值或单极－偶极电位差值。由于它们变化范围大，一般用对数来标定反演数据及模型参数，有利于改善反演的稳定性。由于反演参数太多，传统的阻尼最小二乘反演往往导致过于复杂的模型，即产生所谓多余构造，它是数据本身所不要求的或是不可分辨的构造信息，给解释带来困难。Sasaki在最小二乘准则中加入光滑约束，反演求得光滑模型，提高了解的稳定性.其求解模型修改量Δm的算法为 （GTG＋λCTC）Δm＝GTΔd，其中C是模型光滑矩阵。通过求解Jacobi矩阵G及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格电性数据。

3 工作面水文地质概况及直流电法测线布置及工作量

芦岭煤矿Ⅱ1042工作面主要充水水源为上阶段10214工作面采空区老塘积水、底板灰岩水和上部10煤层顶板砂岩裂隙水。

1）顶板砂岩裂隙水：Ⅱ1042上工作面标高为－443m左右，系山西组上部第七含水层段，以静水量为主，富水性不均，差异大，出水点分布在砂岩裂隙发育处，根据抽水试验显示，层位内七含单位涌水量q＝0.00143～0.0109L／S.m，K＝0.0012～0.016m／d，对生产影响程度不大。

2）底板灰岩水：Ⅱ1042上工作面标高为－430～－475m，距离灰岩顶板约60m，根据计算公式：T＝0.083，突水系数大于0.07的临界值，Ⅱ1042上工作面开采时受底板灰岩水威胁，必须进行防治水工作。

3）10214老空水：工作面主要威胁充水水源为10214工作面采空区老空水。根据10214工作面资料分析，采空区内存在积水条件，预计积水面积32 000m2，积水量67 000m3。其含水地质条件，相对已知。

因此，本次探测的目的为：1）利用三维并行电法探查II1042上工作面面内底板80m范围内岩层电性分布特征；

4）根据电法测试结果，分析、解释并评价II1042上工作面底板80m范围内岩层含、导水构造及富水区分布情况。

图2 现场测线布置图

为获取理想电透视效果，在II1042上工作面双巷布置了多点电场穿透，根据工作面形态及走向、倾向分布特征，设计如下观测系统 （图2）。现场并行电法仪每站布置电极数为64个，电极间距5.5m，单站实际控制测线长度为346.5m。上机巷及切眼探测2站，测站之间重合100m，测线长约为590m，上风巷及切眼探测2站，测站之间重合100m，测线长约590m，总测线长度约为1 180m，共布置4站，共采集4站×64个供电点×63个测量点＝16 128个物理点。

4 数据处理及结果分析

4.1 数据处理

双巷三维电法数据处理：将双巷采集各单站数据联合进行三维电阻率反演，并对三维电阻率数据体进行水平切面成图，结果如图3所示。数据处理时，观测系统坐标以工作面切眼为起始点，沿回采方向为X正轴；由工作面上机巷到上风巷为Y正轴。电阻率值以蓝色 （冷色调）为低电阻率值，以黄色 （暖色调）为高电阻率值，直观地反映电阻率变化情况。

双巷三维电阻率立体成像结果如图3所示。反演采用层状模型，较好地反映了底板岩层电性变化情况。探测深度为80m，电阻率变化范围为0～400Ω·m，其中砂岩层位富水区电阻率阀值为80Ω·m，80～120Ω·m为少量含水区；灰岩层位富水区电阻率阈值为120Ω·m，120Ω·m以上为少量含水区。对三维电法切面进行综合分析，得到工作面底板砂岩和灰岩层段电阻率异常解释图如图4、5所示。

图3 双巷三维并行电法电阻率成像水平切面解释图

4.2 结果分析

从图4可见，底板0～60m砂泥岩段地层电阻率值总体较高，其平均值大于120Ω·m。局部存在相对低阻异常区，具体如下：

1）位于工作面上机巷底板，横向范围为150～170m，垂向分布深度小于20m，该范围电阻率值为80～120Ω·m，根据该范围附近地质条件分析，推测该低阻区岩性相对变化，岩层少量含水；

图4 底板砂岩层位富水性电阻率分布特征图

图5 底板灰岩层位富水性电阻率分布特征图

2）位于工作面上机巷底板，横向范围为340～480m，垂向分布深度小于50m。在该低阻区域中，360m处低阻区沿倾向分布，电阻率值低，小于80Ω·m，推测岩层有一定的含水性；该范围其它低阻区分布范围小，电阻率值位于80～120Ω·m，分析为岩层少量含水表现。

从图5可见，II1042上工作面底板灰岩层段电阻率值高，平均电阻率值高于180Ω·m。据电法测试结果，判断工作面底板灰岩层含水性差。仅在工作面上机巷360m处底板灰岩段有少量含水。

5 结 论

为获得更为可靠的地质解释，充分分析双巷三维并行电法现场信号采集的质量，仔细检查并重新审核方法技术的数据处理过程，并从电场场论角度，考虑该方法对工作面底板岩层富水性探测的有效范围。综合分析探测电阻率分布特征，获得如下探测结论：

5.1 砂岩含水层

1）位于工作面上机巷底板，横向范围为150～170m，垂向分布深度小于20m，该低阻区岩性相对变化，岩层少量含水；

2）位于工作面上机巷底板，横向范围为340～480m，垂向分布深度小于50m。在该低阻区域中，360m处低阻区沿倾向分布，岩层有一定的含水性；该范围其它低阻区分布范围小，分析为岩层少量含水表现。

5.2 灰岩含水层

II1042上工作面底板灰岩层段电阻率值高，判断工作面底板灰岩层含水性差。仅在工作面上机巷360m处底板灰岩段有少量含水。

后经打钻验证，效果显著，为该面的合理开采提供了地质依据及保障。

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