高密度电法在探测煤层顶板富水异常区中的应用

谢 伟

（神东天隆集团有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000）

霍洛湾煤矿南与李家塔煤矿相连，东邻乌兰煤矿和安冶煤矿。李家塔矿2-2煤层已经回采，有迹象表明乌兰矿界内的原小煤窑存在越界开采可能情况，露天矿坑及采空区大量积水极易通过小窑巷道或其它可能通道溃入霍洛湾矿井，对霍洛湾矿安全生产，特别是对22210工作面的安全顺利回采构成巨大威胁。因此，本项目采用高密度电法在东南矿界高压线密集区开展工作，探查横穿霍洛湾煤矿东南边界2-2煤层附近存在富水异常区，为堵截、治理工程提供参考资料。

1 高密度电法原理

高密度电阻率法是常规电阻率法的一个变种，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同，仍是以岩石的电性差异为基础的一类勘探方法，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决矿产资源、环境和工程地质问题。较常规电阻率法高密度电阻率法具有以下特点：

（1）电极布设一次完成，可减少因电极设置而引起的故障和干扰，并为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

（2）能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

（3）野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快 （大约每一测点需2～5s），而且避免了因手工操作所出现的错误。

（4）可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印成果图件。

（5）与传统电阻率法相比，成本低、效率高、信息丰富、解释方便，探测能力显著提高。

在求解简单地电条件的电场分布时，常采取解析法，由于坐标系的限制，解析法能够计算的地电模型是非常有限的。因此，在研究复杂地电模型的电场分布时，主要还是采用了各种数值模拟方法。对于二维地电模型，一般选用了点源二维有限方法，对于三维地电模型则选用面积分方程法。

2 现场应用

2.1 矿井水文地质条件

2.1.1 区域水文地质

本区地下水以孔隙潜水和裂隙承压水两种形式赋存，水文地质条件为简单—中等型。由于区内岩性变化较大，含（隔）水层厚度变化亦大，难以划分稳定的含（隔）水层，只能划分相对的含隔水层组，以第四系底部砂砾层为孔隙潜水含水层，基岩各地层组段中以粗砂岩为裂隙潜水含水层和裂隙承压含水层，以第三系和基岩各地层组段泥岩、砂泥岩等划分为相对隔水层。孔隙潜水含水层由大气降水补给，补给量的大小由降水量的多少和地形情况控制，基岩裂隙承压含水层因各含水层垂直水力联系甚弱，主要以侧向补给为主，大气降水间接补给。

2.1.2 含 （隔）水层

井田内上覆地层中含 （隔）水层包括第四系（Q4）松散潜水含水层、侏罗系-白垩系志丹群（J3-K12h）砂岩裂隙潜水含水层、侏罗系直罗组裂隙承压含水层、侏罗系延安组 （J1-2y）裂隙承压含水层，另外本区除第四系 （Q4）孔隙潜水含水层与基岩裂隙含水层间有第三系 （N2）粘土隔水层外，各基岩地层层段皆有多层粉砂岩、砂质泥岩隔水层阻隔，且隔水层厚度大于含水层厚度，含水层与隔水层厚度比多在1∶3左右，隔水性能好，各含水层间垂向上基本无水力联系。

2.1.3 矿井采空区充水情况

霍洛湾煤矿留有井田境界煤柱，南与之相连的李家塔煤矿生产规模较大，开采煤层与霍洛湾煤矿基本相同；东邻的乌兰煤矿和安冶煤矿开采2-2煤层的浅部，虽留有井田边界煤柱，但由于乌兰露天矿矿坑积水及在井田的东南角废窑，坑道储满积水，水量不详，在开采东南边界时，积水有可能通过邻近采空区（巷道）或裂隙补给含水层或直接渗入井下，给本矿东南边界工作面的安全开采造成威胁。

2.1.4 矿井含煤地层概况

霍洛湾煤矿含煤地层为中侏罗统延安组（J2y），由灰白～浅灰色各粒级砂岩、灰色～深灰色粉砂岩、砂 （粉砂）质泥岩、泥岩夹煤层规律性交替组成。井田内延安组含煤10～32层，多数钻孔见煤19层，其中可采煤层有9层。目前以2-2煤层开采最为关键，该煤层位于侏罗系延安组第四段 （J1-2y4）中上部，煤层厚0.88～6.79m，平均4.95m，煤层结构简单，局部含一层夹矸，夹矸最厚0.58m，为泥岩或炭质泥岩，煤厚变异系数为36%，全区可采，属稳定煤层。

2.2 探测设备

瞬变电磁法探测设备使用的是加拿大凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测仪，该仪器是当前国际上最先进的电磁法探测系统之一。

高密度电法资料采集使用重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD-3型多功能数字直流激电仪和WDZJ-3多路电极转换器组成。

2.3 地球物理特征

高密度电法均是以岩石导电性差异（即电阻率大小）为应用前提的地球物理勘探方法。不同的岩性具有不同的电性特征，含煤地层具有层状分布的特点，电性分布在横向上相对均一，纵向上有固定的变化规律。当均匀地层中存在含水区时，其含水区电性值较围岩电性值偏低，含水区域范围越大，含水性越强，其低电性值在探测到的视电阻率中反映越明显，等值线会发生有规律的变形、圈闭等现象。

总结地层电性特征并结合井田内水文孔测井曲线分析，浅部第四系的风积沙呈高阻电性特征，第三系主要由泥岩和砂质泥岩组成，总体上呈低阻电性特征；中部侏罗系延安组地层岩性主要为细砂岩、粉砂岩及深灰色砂质泥岩，次为灰白色中、粗粒砂岩和黑色泥岩及煤层组成，总体呈中等电阻电性特征，向下电性又呈减小的趋势特征。

3 成果资料分析

高密度电法勘探实际完成测线长度8480 m（含复测测线长度940m），施工过程中，根据实际地形情况进行了复测检查，检查测线长度940 m，占总工作量的11%，符合 《规范》中检查点不少于3%～5%的要求。

3.1 高密度数据处理流程

高密度野外采集的数据处理前，首先对其逐点进行整理或预处理，即检查数据质量，剔除不合格数据，并对其进行编录，整理成专用数据处理软件所需要的顺序和格式，再对数据进行滤波，突出地质信息，再利用专用软件转换得到视电阻率和视深度等参数；在此基础上结合有关测量、地质和钻探等资料做进一步分析处理，从而推断出可能的过水通道。

3.2 测网布置与工作量

根据霍洛湾煤矿井田地质报告，2-2煤层主要含水层为侏罗系直罗组裂隙承压含水层和侏罗系延安组 （J1-2y）裂隙承压含水层，含水部位为中粒砂岩层段，其在各煤层组间皆有发育，层厚一般小于15m，富水性弱。另外一个最重要的充水因素为小窑采空区积水，本矿井田东部与乌兰露天煤矿、乌兰井工矿相邻，在井田的东南角有一废窑，开采深度不大，但现在坑道储满积水，且可能与乌兰矿露天采坑积水连成一体，因废窑被堵，水量不详，潜在的富水构造对霍洛湾矿安全生产造成隐患。故此，本课题在霍洛湾煤矿东侧和乌兰矿重合的矿界以及南侧矿界进行施工，探查霍洛湾煤矿和乌兰矿重合的边界以及霍洛湾煤矿东边界北段 （E 区）富水性异常的分布范围。

根据工作要求并结合现场实际情况，高密度电法完成工作量包括高密度测线原则上沿霍洛湾矿界布置，受现场条件限制，对部分测线进行了适当调整，两个野外阶段共完成高密度测线16条，编号G1～G15，总长约8480m。

3.3 视电阻率拟断面图结果分析

霍洛湾煤矿东边界北段 （E 区）高压线密集，主要集中在G13～G16线 （E 区），长度达到2120 m，测点间距530m。因此对本区域解释采用高密度测线为主。霍洛湾东边界北段E 区的G13、G15和G16线高密度测线电法实测结果如图1所示。

正常地层中含水时，其电阻率值较不含水时偏低，含水性越强其电阻率值越低。高密度勘探方法用于解释的参数即是与电阻率密切相关的视电阻率，该物性基本上可以反映地层的电性变化情况。

在断面图中，纵坐标为高程，横坐标为相对测线起点的水平距离及测点编号。为使断面图更加直观，将视电阻率等值线的变化采用深、浅颜色加以填充。文中将视电阻率值较低的区域采用深色填充，视电阻率值较高区域采用浅色填充。图中虚线圈出了可能的过水通道，图中数值 （1.6、1.8、2、2.2、2.4）表示该点处的电阻率值。同时为了评价异常区的可靠性，在图中标示了高压线的大体分布情况及影响范围。

从视电阻率拟断面图垂向来看，地层沉积层序清晰、稳定，各断面图整体呈现高-低的电性特征，断面图总体电性特征与探测区内地层电性分布规律吻合。横向上断面图中的低阻异常反映比较明显，共发现4处低阻异常区，编号为E-1～E-4异常区。E-1异常区垂向上大致分布于2-2煤层附近地层，推断该异常区由煤层裂隙相对富水引起，但根据已有资料，异常区附近存在乌兰矿采空区，因此，并不能排除由采空区积水 （巷道积水）引起；E-2和E-3异常区处为高压线铁塔，异常可靠性较低，该异常区受到铁塔一定程度的影响，但不排除乌兰矿露天采坑积水通过裂隙进行补给；E-4异常区附近为加油站油库，该异常受到油库影响，但不排除乌兰矿露天采坑积水通过裂隙进行补给，具体分析见表1。

3.4 效果验证

通过对霍洛湾煤矿东南边界2-2煤层附近存在富水异常区的判断可知，存在E-1～E-4共4处低阻异常区域，将给日后采面安全回采构成重大隐患。为了验证现场高密度电法探测所发现的4处低阻异常区可靠性，对富水异常区及存在争议区域实施打钻验证和放水作业工作，通过现场实施，发现22210工作面切眼以东煤层及顶底板岩层裂隙较发育并具有一定的富水性。目前已在22210工作面开切眼位置采取有效措施，防治水效果显著。本次东南边界2-2煤层富水区域开展高密度电法勘探结果与井田实际水文地质情况基本吻合，表明了高密度电法在探查霍洛湾煤矿东南边界2-2煤层工作面顶板富水构造及富水岩层具有可行性和准确性。

图1 霍洛湾煤矿东边界北段 （E区）视电阻率拟断面图

表1 霍洛湾煤矿东边界异常分析统计表

4 结论

本次霍洛湾煤矿东南边界2-2煤层附近存在富水异常区采取的高密度电阻率法勘探探查发现了多处低阻异常区域，后经现场打孔验证表明采用煤矿高密度电阻率法探查2-2煤层顶板富水构造的分布及其富水性方面具有可行性，对该矿2-2煤层顶板水害防治及其方案设计与施工具有一定的指导意义。高密度电阻率法与传统电阻率法相比，能准确而及时地预测预报富水异常构造，并可取得较满意的探测效果。

［1］ 张卫，吴荣新，付茂如等.三维并行电法在工作面顶板富水区探测中的应用 ［J］ .中国煤炭，2011 （6）

［2］ 张卫，林承灏，于仲等.工作面顶板富水区的矿井瞬变电磁法探测 ［J］.煤炭技术，2012（1）

［3］ 蔡晶晶，阎长虹，王宁等.高密度电法在地铁岩溶勘察中的应用 ［J］.工程地质学报，2011（6）

［4］ 葛如冰，黄伟义，张玉明.高密度电阻率法在灰岩地区的应用研究 ［J］.物探与化探，1999（1）

［5］ 牟义，李文，黎灵等.矿井瞬变电磁法在工作面顶板富水性探测中的应用 ［J］.煤矿安全，2011（1）

［6］ 刘海生.高密度电法在探测煤矿地下采空区中的应用 ［D］.太原理工大学，2006

［7］ 闰建飞.高密度电阻率法应用技术研究 ［D］.吉林大学，2009

［8］ 许云磊，刘志新，王东伟等.瞬变电磁法对工作面底板注浆工程的稳定性评判 ［J］ .中国煤炭，2011 （12）

［9］ 张国进，徐新学，高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用 ［J］.西北探矿工程，2004（8）

［10］ 占文锋，王强，王柱.地面电测深法在待采工作面富水性探测中的应用 ［J］.中国煤炭，2014 （1）