高密度电阻率法在倾斜煤层采空区探测中研究及应用

徐 林, 杨生文, 乐俊波, 戴晓明, 江玉乐

(1.贵州煤田地球物理勘探有限责任公司,贵阳 550001; 2.成都理工大学 地球物理学院,成都 610059)

贵州山区陡倾斜煤层分布于向斜侧翼，一般属构造侵蚀、溶蚀地貌，海拔高差大，陡倾斜煤层采空区充填状态分为完全充水或泥、底部充水或泥-浅部未充填、完全未充填三类，其与围岩具有电性差异。高密度电阻率法在陡倾斜煤层采空区探测中能快速和自动化采集数据，且在资料处理阶段可对观测数据进行地形校正，是一种高效、高分辨率的电阻率勘探方法。

1 高密度电阻率法的方法原理

通过连个接地电极(A、B)在地面下施加稳恒电流场I，通过测量电极(M、N)测量其电场强度，计算出连个测量电极之间的点位差ΔUMN。通过下式计算视电阻率ρS。

(1)

K值运用A、B、M、N集合位置关系算出，如下式：

(2)

通过改变AB距离和MN距离大小测量计算出的视电阻率值能综合反映地下电性不均匀体和地形起伏，利用其变化规律探测和发现地下的不均匀性，达到勘探隐伏矿产和解决其他地质问题的目的。

2 工区概况

工区属中高山侵蚀地貌、地形切割较深，测线布置区域最高高程和最低高程相对高差250m，地形起伏较大。地势较低处地形坡度10°～20°，地势较高处地形坡度较陡35°～65°。工区内矿井有原NC煤矿、原XWT煤矿、原XN煤矿采掘系统、现XN煤矿采掘系统系统、原公社老窑及小煤窑。

工区地层为：①三叠系下统飞仙关组(T1f)：厚445～505m，主要含粉砂岩、泥岩互层，夹条带状灰岩。②二叠系上统龙潭组(P3l): 均厚370m，由细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、黏土岩夹煤层组成，单层可采煤层厚度在0.8～2.5m。③第四系(Q)：厚0～15m，以亚黏土为主，夹有碎石，分布在地形低洼地带，主要为坡积层和洪积层。

工区构造:矿区位于格木底向斜北翼东段，位于格木底盆形向斜北东翼。矿山整体呈一单斜构造，地层走向110°，倾向200°，倾角58°～63°，地层倾角大，局部倒转。Fl断层位于工区东部，地表断层破碎带明显，为正断层，断层面向西倾斜，倾角75°左右，走向长度大于1.2km。

本次勘探探测圈定和分析拐点坐标范围内200m以浅采空区分布范围。

3 理论模型正反演实验分析

根据相邻煤矿三侧向电阻率测井曲线统计，煤系地层内细砂岩平均视电阻率值250Ω·m、粉砂岩平均视电阻率值200Ω·m、粉砂质泥岩平均视电阻率值150Ω·m、泥岩平均视电阻率值80Ω·m、煤层平均视电阻率值400Ω·m。

根据各岩性视电阻率值并充分考虑采空区的垮塌状态大于实际采空区规模，建立模型如图1。设煤系地层平均电阻率值200Ω·m，地层倾角45°；Ⅰ、Ⅱ号模型底×高为20m×60m、中心埋深80m、倾斜角度为45°，模拟未充填或半充填采空区，电阻率值为600Ω·m，高于煤层平均视电阻率值。Ⅲ号模型底×高为20m×60m、中心埋深140m、倾斜角度为45°，模拟充水或泥采空区，电阻率值为20Ω·m，低于泥岩平均视电阻率值；Ⅳ号模型模拟断层破碎带及充水或泥采空区，宽度20m，倾角60°，电阻率值为20Ω·m，小于泥岩平均视电阻率值。地面设计测线长度为1 000m，采用温纳装置，设定电极数为101，电极距为10m。

图2为模型电阻率断面图。该剖面电阻率值最小值11.73Ω·m，最大值407.9Ω·m，均低于实际模型电阻率值最小值和最大值。Ⅰ、Ⅱ号高阻模型有明显反映，异常电阻率值大于250Ω·m，但异常中心位置位于模型顶部且垂向小于实际模型规模，Ⅰ号异常走向倾角小于45°，Ⅱ号异常倾向不明显。Ⅲ号低阻模型反映明显，电阻率值小于150Ω·m，异常垂向范围与实际模型基本吻合，横向大于实际模型规模，异常中心位置相较于实际模型位置在垂向偏上，异常倾向基本为45°。Ⅱ、Ⅲ号异常体整体与实际模型整体规模基本一致，倾角接近45°，但两个异常体之间高低阻渐变。Ⅳ号低阻异常体可以清晰看出断层或采空区呈倾斜状向下延伸，电阻率值小于160Ω·m，其倾斜角度稍大于实际模型角度，其范围由浅至深呈增大趋势，但深部无明显低阻反映。在埋深30m左右出现一个层状低阻假异常，在650～680m出现一个高阻垂向团块状假异常，在680～720m出现一个低阻垂向团块状假异常，在770～870m出现一个向大号倾斜的低阻假异常。

图1 断层及采空区组合模型地电断面图Fig 1 Geoelectric section view of fault and mined-out area combination model

图2 断层及采空区组合模型电阻率断面图Fig 2 Fault and mined-out area combination model resistivity profile

高密度电阻率法反演剖面电阻率值范围与实际模型电阻率值有差异，其反演的电阻率值受背景电阻率值影响较大，其异常只是相对背景电阻率值的高低阻异常。高密度电阻率法探测到的倾斜煤系地层采空区实际位置和空间分布范围及形态与实际有一定差异，在充分结合地质资料的情况下，可以分析出采空区的形态和位置。高密度电阻率法在探测过程中会受到电磁耦合影响，反演过程中会受到插值边界效应影响，出现虚假异常，但假异常的走向形态与实际地层及异常走向上有差别，可充分结合地层和目标地质体产状加以甄别。高密度电阻率法在探测断层或往深部延伸的采空区异常时，浅部分辨率好，深部分辨率较低甚至异常消失，其原因与异常体规模大小及体积效应影响有关；异常倾向大于实际目标地质体走向，应充分结合地质资料进行解释。

4 高密度电阻率法勘探成果及分析

本次高密度电阻率法勘探按不规则测网布置24条测线，测线线距为80～170m，点距10m。采用斯伦贝谢装置，AB/2=15、25、35～405m；MN/2=5、15、25、35、45m。

4.1 剖面成果分析

图3为3线高密度电阻率法综合剖面图。在小号至112m点位、标高从1 344～1 225m的P3l地层有电阻率值小于20Ω·m相对低阻异常发育，为已知原NC煤矿采掘C15、C18及C20号煤层引起，推断为煤层采动充水或泥影响范围。140m至大号点位间、标高从地表至1200m为相对低阻，但点号200m有河流经过，推断该段为岩体节理裂隙发育或破碎富水范围。

图3 高密度电阻率法勘探3线综合剖面图Fig3 Multi-electrode resistivity method for exploration of 3-line comprehensive profile

图4为7线高密度电阻率法综合剖面图。在小号至64m点位、标高从1 372～1 250m的T1f、P3l地层有团块状相对高阻异常发育，电阻率值大于300Ω·m，为已知现XN煤矿采掘C1号煤层引起，推断为煤层采动未填充或半填充影响范围。在97～199m点位、标高从1 372～1 246m的P3l地层有团块状相对低阻异常发育，电阻率值小于80Ω·m，为原公社煤矿采掘C15、C18、C20、C26号煤引起，推断为煤层采动充水或泥影响范围。在223～262m、标高从1 340～1 301m的P3l地层有团块状相对低阻异常发育，电阻率值小于20Ω·m，地表调查为老窑采掘引起，推断为煤层采动充水或泥影响范围。

图4 高密度电阻率法勘探7线综合剖面图Fig4 Multi-electrode resistivity method for exploration of 7-line comprehensive profile

图5 高密度电阻率法勘探16线综合剖面图Fig.5 Multi-electrode resistivity method for exploration of 16-line comprehensive profile

图5为16线高密度电阻率法综合剖面图。在43～171m、标高从1 374～1 271m的P3l地层有团块状相对低阻异常发育，电阻率值小于12Ω·m，为原XN煤矿采掘系统经过区域，推断为煤层采动充水或泥影响范围。在204～285m、标高从1 363～1 312m的P3l地层有团块状相对低阻异常发育，电阻率值小于12Ω·m，为原XN煤矿采掘系统经过区域，推断为煤层采动充水或泥影响范围。在52～83m、标高从1 428～1 394m的P3l地层有团块状相对高阻异常发育，电阻率值大于500Ω·m，调查为老窑采掘引起，推断为煤层采动未填充或半填充影响范围。

如图6。剖面在150m点位附近斜交F1断层，所以深部低阻的断层破碎带发育范围较宽。在288～346m、标高从1 377～1 332m的P3l地层有团块状相对低阻异常发育，电阻率值小于30Ω·m，为原XWT煤矿采掘C61、C65、C69引起，推断为煤层采动充水或泥影响范围。

4.2 推断采空区分布

结合已知采掘工程资料及地表老窑调查资料，对各条剖面高低阻异常进行判断解释，圈定采空区分布图如图7，其基本反映了工区的采空区分布情况，为矿井防治水及地质灾害成因分析论证提供了强有力的依据。

图6 高密度电阻率法勘探23线综合剖面图Fig.6 Multi-electrode resistivity method for exploration of 23-line comprehensive profile

高密度电阻率法在实际应用中其高低阻异常发育范围基本上能够反映煤层采掘情况，但其异常规模与大于实际目标地质体规模，其形态多为椭圆状或团块状，不同于采空区的长条形状；探测多层较近煤层采空区时，不能区分采空区属于哪一开采煤层；探测断层破碎带时，异常深部宽度较大，深部分辨率较低。

5 结论

通过高密度电阻率法的模型模拟试验及在实际勘探中的应用，得出以下结论：

①高密度电阻率法反演的电阻率值受背景电阻率值影响较大，其异常只是相对背景电阻率值的高低阻异常，其高低阻异常发育范围基本上能够反映煤层采掘情况。

图7 推断采空区分布图Fig.7 Inferred mined-out area distribution map

②高密度电阻率法探测到的倾斜煤系地层采空区实际位置和空间分布范围及形态与实际有一定差异，应充分结合地质资料，分析采空区的形态和位置。

③高密度电阻率法在探测过程中会受到电磁耦合影响，反演过程中会受到插值边界效应影响，从而出现虚假异常，但假异常的走向形态与实际地层及异常走向上有差异，可充分结合地质资料、采掘工程资料及地表老窑调查资料进行解释，排除虚假异常。

④密度电阻率法在探测断层或往深部延伸的采空区异常时，浅部分辨率好，深部分辨率较低，异常体倾向大于实际目标地质体走向，应充分结合地质资料进行解释。

⑤受体积效应影响，异常响应范围往往大于实际采空区范围，相隔较近的采空区充填状态一致时仅能探测到其多个采空区整体异常。