超高密度电法在贾汪煤矿采空区勘察中的应用

张国堂 胡德省 汤志刚

(江苏省第二地质工程勘察院)

超高密度电法在贾汪煤矿采空区勘察中的应用

张国堂 胡德省 汤志刚

(江苏省第二地质工程勘察院)

结合工程实例介绍了超高密度电法在贾汪煤矿采空区勘察中的应用成果，总结了数据采集及反演过程中的注意事项，并将探测成果与钻孔资料进行对比分析，为提高煤矿采空区的勘察精度提供参考。

超高密度电法 煤矿采空区 异常区

徐州市贾汪区曾是江苏省重要的煤炭生产基地，开采历史近130 a，地表形成了大范围的沉陷区，随着地下煤炭资源的枯竭与土地资源的日趋紧张，采空区场地的土地合理利用成为亟待解决的问题。目前采用的钻探方法推测采空区的分布位置及开采情况时精度较差。超高密度电法具有高分辨率、高效等特点，能满足采空区勘察的精度要求，为此将其应用于对贾汪煤矿采空区进行探测，为合理治理煤矿塌陷区提供依据。

1 采空区特征与电性特征

1.1 采空区特征

勘察深度范围内主要含1#、3#煤，赋存于下石盒子组中，展布形态与地层的构造形态类似，平均开采厚度1.50 m，开采深度35 m。1#煤结构简单，下距3#煤约10 m。3#煤结构复杂，一般含夹矸，夹矸厚度不稳定，采空区开采深度45 m。1#、3#煤层倾向SE，倾角10°。

(1)1#煤。顶板岩性为深灰色页岩或砂页岩，泥质胶结，片状构造，节理发育，层理明显，局部为砂页岩互层，平均厚4.8 m；底板为灰黑色砂页岩，泥质胶结，含砂量由上至下逐渐增多，上部块状结构，下部为层状结构，平均厚4.6 m。

(2)3#煤。顶板为灰黄色，砂质页岩互层，局部为砂岩，成分以长石为主，层理含白云母碎片及炭质、硅质胶结，层理明显，节理发育，厚6 m；底板为灰黑色砂页岩，泥质胶结，块状结构，有滑面，平均厚2.0 m。

1.2 采空区含水特征

(1)松散岩类孔隙水。含水层厚3～7 m，主要由黏性土组成，黏性土透水性弱，赋水性差，含水量小，在雨季降水期间，上部土层中存在短暂的上层滞水。孔隙水水位埋深1～3 m，根据区域水文地质资料，水位升降幅度约2 m/a，近3～5 a最高水位接近自然地面。地下水位以大气降水的垂向补给及地表水的侧向径流补给为主，排泄方式以蒸发为主。

(2)碎屑岩类孔隙裂隙水。赋存于二叠系煤系地层中，富水性差，区内碎屑岩类孔隙裂隙水位在煤矿开采期间主要受煤矿开采疏干排水的影响，水位变化大、无规律；随着矿井关闭，地下水位逐渐恢复，目前水位埋深已稳定于10 m左右。径流方向受开采控制，总体为自四周向水源地径流，排泄途径主要为矿井疏干排水和人工开采。

1.3 采空区电性特征

采空区埋深35～45 m，开采时间为1951—1959年，属浅埋老采空区。勘察范围内地下水类型为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水，水位埋藏浅，矿山关闭后地下水沿巷道、开采工作面等通道充填采空区，地下水达到水位动态稳定后，采空区将处于饱水状态，该范围内采空区为低阻异常区。

2 工作方法

2.1 基本原理

超高密度电法通过观测和研究人工建立稳定电场的分布规律，采用相关仪器设备观测岩体岩性的变化规律，为解决水文、环境和工程地质问题提供依据[1-2]。超高密度电法勘探反演系统采用全自动、自由组合的数据采集方式，使得在同样电极数的情况下，采集的数据量为常规方法的40倍以上，同时，其多通道的工作模式能够同时采集n-3组V/I数据(n为测线电极数)[3]。在地球物理勘探中，可根据计算出的视电阻率值，通过正演计算和反演成图，得到地下半空间环境的视电阻率反演示意图，从而判断可能存在的地下介质异常。

2.2 数据采集及预处理

采用澳大利亚FlashRES64测量系统进行探测，该系统由多通道超高密度地面/井-地/井-井直流电法勘探系统组成，采用自由无限制的任何4极的组合方式采集数据。根据多次试验，确定电极间距6 m，供电电压90 V，采集时间2 s，装置为全排列采集。数据预处理内容：①计算视电阻率值；②建立电极坐标系统；③数值模拟并确定反演参数；④数据检查及滤波。

3 资料解译

3.1 数据反演

数据处理方法分为正演和反演，反演结果可直接反映地下介质间物理特性(电阻率)的差异。超高密度电阻率法数据反演步骤：①设定1个电阻率分布理论模型(与实际地下电阻率分布情况有所区别)；②采用理论模型进行正演推算，得出理论电阻率值；③计算实测电阻率数据与理论数据的差值；④按照一定的算法将各个差值归算至剖分的网格中，以此校正设定的理论电阻率模型，得出1个新的理论电阻率分布模型；⑤采用新的理论模型进行正演推算，重复上述步骤，连续迭代直到理论模型统计校正值足够小为止。数据处理利用FlashRES64多通道超高密度直流电法勘探反演系统，经反演之后生成“*.grd”格式数据文件，采用Surfer8.0软件进行数据成图和图形处理，得到剖面的电阻率断面图，进行采空区解译。

3.2 数据解译

L1、L2测线的电阻率反演剖面见图1。由图1可知，L1测线0～120 m区段，深度为0～30 m的视电阻率为15～24 Ω·m，深度为30～80 m的视电阻率为24～30 Ω·m；L1测线120 m处视电阻率梯度变化较大，120～390 m区段，深度为0～60 m的视电阻率为4～26 Ω·m，为低阻异常值。L2测线0～110 m区段，深度0～30 m的视电阻率为8～34 Ω·m，深度为30～80 m的视电阻率为24～42 Ω·m；L2测线110 m处视电阻率梯度变化较大，110～330 m区段，深度为0～60 m的视电阻率为8～26 Ω·m，为低阻异常值。视电阻率梯度变化较大处，说明地下介质岩石岩性发生变化，结合煤层采掘资料分析，该处为采空区的西边界。纵向上视电阻率大体呈现浅、中部较低，下部较高的趋势，据此圈出采空区的分布范围。L1测线0～120 m区段和L2测线0～110 m区段，深度为0～30 m视电阻率值较低，主要由于浅部岩性为黏土或黏土岩，加之地下水的影响，表现出低电阻异常值。

图1 超高密度电法视电阻率反演剖面

3.3 钻探验证

矿区钻探结果见图2、图3。

由图2可知，Z1孔36.3～37.7 m深度处掉钻(0.4 m)，之后进尺快，漏水，不返浆，采取率为5%，RQD值为0，推测为1#煤采空区；45.5～46.5 m处进尺快，漏水，不返浆，采取率为5%，RQD值为0，推测为3#煤采空区。由图3可知，Z2孔43.7～45.2 m深度处进尺快，漏水，不返浆，采取率为10%，RQD值0，推测为1#煤采空区；55.0～57.2 m处进尺快，漏水，不返浆，采取率为15%，RQD值为0，推测为3#煤采空区。

4 结 语

以徐州贾汪煤矿采空区为例，详细介绍了超高密度电法的探测成果，钻探验证结果表明，该方法具有较高的探测精度。

图2 Z1孔钻孔柱状图

[1] 金 亮，曲 威，贾巨瑜.高密度电阻法在工程勘探中的应用[J].现代矿业，2012(2):38-39.

[2] 李学敏，方玉满，李 争，等.高密度电阻率法在滑坡体勘探中的应用[J].现代矿业，2012(11):37-38.

图3 Z2孔钻孔柱状图

[3] 宋洪伟,张翼龙，夏 凡.超高密度电法和激电法在河北某地找水实例分析[J]. 南水北调与水利科技，2011(4)：60-62.

2015-03-04)

张国堂(1981—)，男，工程师，硕士，221004 江苏省徐州市鼓楼区下淀路163号。