地面电测深法在待采工作面富水性探测中的应用＊

占文锋 王 强 王 柱

（1.北京工业职业技术学院建筑工程系，北京市石景山区，100040；2.湖北煤炭地质物探测量队，湖北省武汉市，430200）

随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，水文条件变得更为复杂，受水害威胁的程度也更为严重。在底板灰岩发育的矿井，可能将深部潜在高压水导通，危害极大，易发生矿井突水甚至淹井等事故，严重威胁煤矿安全生产。因此，准确查明工作面及周边水文地质条件对工作面水害进行预报，并采取相应的治理措施，从而保证工作面安全开采就显得尤为重要。

近年来，随着电法勘探技术的不断发展，在矿井水探测和防治中得到广泛应用。直流电测深法作为传统物探方法，技术成熟，并随着数据反演技术的不断发展，逐渐克服了异常体分辨率低的问题，使勘探成果的精度和可靠性有了大幅提高，对回采工作面及其附近富水区探测有较好的效果，在矿井安全生产中起到重要作用。

1 工作区概况

河北康城煤矿采区内大部分被新生界地层覆盖，基岩出露较少。地层自下而上依次为奥陶系中统 （O2）、石炭系中统本溪组 （C2b）、石炭系上统太原组 （C3t）、二叠系下统 （P1）、二叠系上统（P2）及第四系（Q）。太原组与山西组为主要含煤层，其中太原组含可采及局部可采煤层5层，依次为9＃、8＃、7＃、6＃、4＃煤层；山西组含2～4层煤层，主采2＃煤层。待采1905工作面西邻1904工作面，走向长826m，倾向宽95m，主采9＃煤层，见图1。根据附近钻孔和巷道揭露情况，预测1905工作面所在9＃煤层厚度介于2.0～2.25m 之间，含3～4层炭质页岩夹矸，层厚0.04～0.3m。9＃煤层直接顶板为下架灰岩或粉砂岩，灰岩厚约0.5m，分布不稳定；粉砂岩平均厚约2.0m，分布稳定。煤层直接底板为铝土质泥岩，平均厚约10m。

巷道处于掘进之中，需预先查明工作面构造及水文情况，以保障巷道安全掘进与工作面安全回采。根据地表条件选用电测深法，目的在于探测1905工作面范围内富、积水性；查明9＃煤层底板H1火成岩富水区；查明区内陷落柱及隐伏构造发育情况，并对其富水性进行定性解释。

图1 1905工作面及测线布置示意图

2 电测深原理及勘探区地球物理特征

2.1 电测深基本原理

电测深法是探测电性不同的岩层沿垂向分布的电阻率方法，该方法采用在同一测点上多次加大供电电极距 （AB）的方式，逐次测量电极距 （MN）间视电阻率ρs的变化规律。加大供电电极距AB可以增大勘探深度，因此，在同一测点上不断加大供电极距所测出的ρs的变化，将反映出该测点下电阻率有差异的地质体不同深度的分布情况。如图2所示，以地面上的O 点为测点，将AMNB电极以O点为中心，呈左右对称排列成一直线，当A、B电极供电时，测量M、N 间电位差△UMN及AB回路中电流I，并按式 （1）即可计算O 点下方对应深度范围内视电阻率ρs。

式中：ρs——视电阻率，Ω·m；

K——装置系数，随AB 变化而变化；

I——供电电流，mA；

△UMN——测 量 电 极 M、N 间 电 位 差，mV。

图2 电测深工作原理

继续保持O点为中心不动，分别向左右对称地移动A、B，以扩大A、B间距离，再次测量M、N间的电位差及供电电流，又可以计算出相应的ρs 值。如此继续扩大AB，便可以算出对应于每个AB的ρs值。对于每个计算出的ρs 值，以AB／2为横坐标，以ρs 为纵坐标，将每一个AB／2对应的ρs 值点绘在双对数坐标纸上，并将其连接起来，即得到该测深点的电测深曲线。若一条测线有许多测深点，用上述方法就可以得到每个测深点的测深曲线。这些电测深曲线就是电测深的原始资料，根据这些电测深曲线便可绘出各类电测深定性解释图件。

2.2 勘探区地球物理特征

探测区层段为古生界上部石炭系、二叠系和新生界第四系地层，岩性主要由砂质泥岩、砂岩、灰岩及煤层组成。根据上述地层岩性资料，在正常不含水情况下，测区地层浅部新生界地层电阻率较高；其下煤系地层、泥岩及粉砂岩电阻率较低；奥陶系地层电阻率呈逐渐增高趋势。不同的岩石具有不同的物性特征，构成了电法探勘的物理学基础。通常情况下，煤系地层沿水平方向沉积基本稳定，横向电性差异变化不大。但随着同一层位有断层或存在富积水区时，其电阻率将会出现明显变化，此物性差异正是利用电测深法进行勘探的前提。

3 工作方法及资料处理

3.1 方法有效性分析

根据现场地形地物条件和勘探要求，电测深选择对称四极装置。沿工作面走向平行布设4 条测线，测线间距30 m，依次编号为A 线、C 线、E线、G 线；测点间距20 m，测点依次编号为0、20、40、……、500 （见图1）。测量电极AB／2采用模数为6.25cm 双对数格内近均匀分布的8个电极距系列，测量电极距MN／2 为供电电极距的1／10。实测时，最大供电电极距AB／2=750 m，最小AB／2=10m，勘探深度大于300m，能够满足勘探深度要求，各电测深极距排列见表1。

表1 电测深极距排列表 m

图3为A 测线0号测点视电阻率曲线，特征点异常明显，与各主要目的层深度对应。测区内电测深曲线基本为KH 型，各层视电阻率ρ1＜ρ2＞ρ3＜ρ4。由于不同层段厚度和视电阻率差异，导致曲线形态随之发生变化。K 型曲线首枝段为第四系地层反映，K 型中段曲线拉得较长，表明二叠系地层较厚；K 型尾端低值段为石炭系地层反映；H 型曲线尾枝为奥陶系高阻地层反映。通过分析各测点曲线类型及异常点，可以推断测区地层分布、断层位置及其富水性情况。

图3 A 线0号测点视电阻率曲线

3.2 电测深数据处理方法

直流电测深资料通常利用量板法、S折线法等进行解释。基于体积勘探效应的影响，传统方法对一些有用的局部信息进行了圆滑处理，导致对异常分辨率降低，制约了电测深的勘探效果和解释精度。

本次数据处理基于测深导数法 （K 剖面法），压制干扰，突出异常信息。各实测曲线经系统整理、初步处理后，根据电测深曲线的形态，对实测电阻率曲线以一定的采样间隔数字化后的点数作为层数，以数字化后相邻电极距的差作为层厚，以对应点的视电阻率作为层阻，用阻尼最小二乘法对测深曲线进行一维自动迭代反演计算，然后计算模型参数的改正量，并根据它对初始模型参数进行校正，把校正后的模型参数作为新的初始模型计算新的目标函数，如此反复，直至拟合误差达到预期精度标准。结合以往区内物探勘查经验，并与已知地质、钻孔资料对照，圆滑个别不正常观测值，通过反复对比，最终以视电阻率ρs 值为主要解释参数，绘制测区视电阻率等值线剖面图，见图4，分析异常。

3.3 成果解释与验证

图4为各测线视电阻率等值线剖面图，图中横坐标为测点水平距离，纵坐标为标高。剖面颜色从黑色～灰色～白色渐变，代表视电阻率由低～较高～高的渐变过程。图中实线表示9＃煤层底板界面，虚线表示9＃煤层顶板界面，双点划线表示H1火成岩界面。富水区段在剖面图上表现为视电阻率相对低的特征，视电阻率等值线呈现为低阻圈闭或低阻条带，富水性越强的地段视电阻率值相对越低。根据测区地电条件，小于110Ω·m 的区域划分为强富水区，大于110Ω·m 小于120Ω·m 的区域划分为弱富水区，据此对测区富水分布情况进行解释推断。

图4 A、C、E、G 测线视电阻率剖面图

纵向上由浅到深视电阻率基本呈现由中低～高～中高的电性特征。上部为中低阻反映，自上而下逐渐增大，反映了不同地层的电性变化规律。新生界地层为低电阻反映；中部高阻段为二叠系地层的反映；下部中高阻段为石炭系地层反映。当岩层富水性强时，视电阻率曲线呈现局部低电阻不均匀体反映。在视电阻率剖面图上，视电阻率等值线向下凹陷，表现为 “两高夹一低”的特征。

横向上，图4 （a）中主要异常位于0～40 m之间，视电阻率呈低阻反映，说明此部位富水性较强，为富水区反映。图4 （b）中主要异常位于20～80m、120～160m 之间，视电阻率曲线急剧变化，向下凹陷呈低阻反映，为富水区反映。图4（c）中主要异常区位于360～400 m、460～500 m之间，呈低阻反映，推测为富水区。图4 （d）中主要异常则位于180～300m、380～400m、480～500m 之间，呈低阻反映，推测为富水区反映。

4 目标层富水性分析

在确定某一层位富水区时，首先依据富水区在视电阻率顺层切片图上的表现特征，对有异常反应的区域在平面位置上进行圈定和组合，初步确定富水异常区的范围；然后与视电阻率剖面图进行对比分析，进一步确定富水区的分布范围及赋存形态，并结合地质、水文成果做对应综合分析，确定富水异常区的分布规律；最后通过对全区地质资料及绘制的各种图件进行综合分析、研究、对比，划定各层位的富水异常区，绘制出各目标层的富水区分布图。根据测区9＃煤层底板标高线，并参照测区地质和水文资料，对9＃煤层顶、底板及H1火成岩底界面制作视电阻率顺层切片，见图5，图中黑色阴影区域为富水区。

图5 1905工作面视电阻率三维立体图

图5中 （a）部分为9＃煤层顶板富水区分布图，9＃煤层顶板裂隙含水层主要由下架灰岩或粉砂岩组成，胶结较松散，裂隙较发育。从图中可以看出，测区共有4个富水异常区。其中，西南部和东北部富水区相对较多、较集中，中部有一个富水区分布。图5中 （b）部分为9＃煤层底板富水区分布图，与顶板相差不大，共有3个富水异常区。图5中 （c）部分为H1火成岩底界面富水区分布图，共有5个富水异常区。

从已知水文地质资料看，测区内影响开采的主要地下水类型为顶板的大青灰岩、粉砂岩含水层及H2火成岩含水层，底板的H1火成岩含水层。煤层顶底板裂隙水是煤层开采的直接充水水源，由于砂岩或火成岩裂隙的发育，一般富水性强，但不均一。从地面电法勘探的成果来看，各目的层富水不均一，但沿层位水力联系较强。从三维立体图上看，测区主要的富水区集中在西南角及东北角，且上下水力联系较强。根据解译结果设计ZK1、ZK2、ZK3三个钻孔进行验证，结果显示电测深成果与钻探揭露情况对应较准确。巷道掘进或工作面回采时，建议针对圈定的低阻异常区段，开展超前探查工作，以确保工作面安全回采。

5 结论与建议

本次测线、测点位置准确，误差在0.5 m以内。结合已知地质、水文资料，对地面电法勘探资料进行了综合处理、分析、解释，物探异常可靠，获得的主要认识如下：

（1）9＃煤层顶板圈定了4 个富水异常区，富水总面积约为4400m2，主要集中于测区西南部及东北部；9＃煤层底板圈定了3 个富水异常区，富水总面积约为2000m2，主要集中于测区西南角及东北角；H1火成岩圈定了5 个富水异常区，富水总面积约为5400m2，主要集中于测区东北角及中部。总体而言，测区西南部及东北部富水性相对较强，局部富水异常区较明显，反映富水具有不均一性特点。

（2）测区内影响开采的主要地下水类型为顶板大青灰岩、粉砂岩含水层及H2火成岩含水层、底板H1火成岩含水层。煤层顶底板裂隙水是煤层开采的直接充水水源。由于砂岩或火成岩裂隙发育，一般富水性强，但不均一。依据电法勘探成果，各层富水异常区位置具有一致，显示在垂向上有一定的水力联系。

（3）建议对富水区引起足够的重视，随着开采的进行，将破坏地下水原始的平衡状态，使上下地层之间的水力联系加大。随着矿井生产的推进，需对上、下富水区的联系做深入细致的分析和研究，巷道掘进或工作面回采时，针对圈定的低阻异常区段，开展相应的超前探查工作，及时采取有效措施，防止水患发生。

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