归一化视电阻率法在矿井水害防治中的应用

沈福斌，王施智，吴建龙，王家乐

(陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

20世纪50年代初，由前苏联引进的直流电阻率法在国内处于隐伏地区找煤的试验阶段；60年代直流电阻率法技术得到发展，在此基础上开始探索应用直流电法技术探测老窑采空区、岩溶、古河床及精查阶段的断层等问题，并获得成功；70、80年代，直流电阻率法技术发展迅速、成熟，得到广泛应用[1-3]。随着电子计算机及计算数学的引入，直流电测深法技术进入数字化时代，相关的滤波、数据圆滑等技术手段也不断成熟并推广，但此种处理方法需要人为给定参数，或进行人为手动圆滑，得到的数据体往往会有很大一部分失真，给成果解释带来一定误区[4-6]。进入21世纪之后，直流电法已从地面发展至井下，成为了煤矿防治水工作中重要手段之一，在矿井开采过程中，查明工作面顶板富水异常区位置是煤矿安全生产亟待解决的问题[7-9]。近些年煤矿水害的频繁发生，尤其在一些巨厚煤层的矿井，随着回采导水裂缝带的发育，受水害的威胁随之增大，矿井直流电法的地位也随之升高，因此，要求的解释精度也不断提高，仅仅采用传统的处理手段很难取得较好的数据体，也无法消除数据失真这一现象。为此，采用归一化视电阻率法进行数据处理，以期避免这一现象的发生，确保异常真实性，提高分辨率，弱化背景场，突出异常场。

1 归一化视电阻率定义

1.1 直流电阻率法原理

直流电阻率法是利用地壳中不同岩石间导电性(以电阻率表示)的差异，通过观测与研究在地下人工建立的稳定电流场的分布规律，来寻找煤和其它有益矿产和地下水，以及解决有关地质问题的一种电法勘探方法[10-13]。其原理是向地面打入2个或2组铁质的电极A、B，其中A极为供电电极，通过改变OA的距离实现深度探测的目的，B极为无穷远极，固定不动，外接一个电源作供电电源向地下供电，在地下建立稳定电流场，用仪器观测出供电电流强度I，再将2个或2组铜质测量电极M、N打入地面，并观测M、N两电极之间的电位差ΔV，并按式(1)计算出M、N极间中点处的视电阻率值ρs(单位Ω·m)。三极直流电法工作装置，如图1所示。

图1 三极直流电法工作装置Fig.1 Working device of three pole direct current method

(1)

式中，K为按供电电极A、B与测量电极M、N的间距计算出的一定排列情况下的装置系数，不同的排列方式有不同的K值。然后，所有仪器设备沿测线同时向前移动，逐点测量、计算ρs值，便可获得沿测线或测区的ρs值变化规律。

1.2 归一化视电阻率法

归一化就是要把需要处理的数据经过处理后(通过某种算法)限制在需要的一定范围内。归一化首先是为了后面数据处理解释的方便，其次是保证程序运行时收敛加快。归一化的具体作用是归纳统一样本的统计分布性。归一化有同一、统一和合一的意思。本次介绍的是均值归一化，由于煤层的起伏形态与地层的起伏形态基本一致，采集数据质量基本不受煤层起伏形态影响，即可将各地层岩性看作近似均一水平层状分布特点进行计算。即以全区某一点为参考值或设定一个参考值，作为全区的基本值，求取全区各测点的同一测道的平均值，将平均值与基本值进行对比求取系数，最后将系数与原始数据相乘得到归一化后数据。

(2)

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(4)

值得注意的是，必须是每个测点的同一测道求取均值与参考值进行对比，求取系数K，区内单个测点最多有几道，就须求几个K值，由于各测道视电阻率值不尽相同，因此K值也不同。数据归一化形式上是变化表达，本质上是为了比较认识，是比较存在差异的数据体。众所周知，国内大部分煤系地层均属沉积地层，其岩性以泥岩、砂岩为主，岩层分布基本呈层状，在解释过程中，往往会将呈低阻电性反应的泥岩划分为异常区，忽略了目标低阻异常体，而归一化目的就是将泥岩的低电性转化成与砂岩一致的电性，有效提高信噪比，突出目标异常体。

2 资料处理与解释

2.1 资料处理

将实测视电阻率数据通过通信线传送至计算机后，通过专用软件进行计算得到视电阻率值，结合现场调查资料，发现受干扰的数据，即由于受接地条件影响，个别极距数据发生跳变，进行剔除或圆滑处理，并进行归一化数据处理，突出异常场，将归一化后数据绘制视电阻率等值线断面图。将所测得各条剖面的视电阻率值按线号、点号一一对应，组成工作面视电阻率数据，利用专业软件进行水平切片处理，切取煤层顶板各层位视电阻率值，最后绘制视电阻率等值线平面图。归一化前后视电阻率等值线断面图，如图2所示，可以看出，归一化前等值线基本呈层状，与煤系地层分布特征基本一致，低阻异常区主要集中在垂向上探测距离小于50 m范围内；经归一化处理之后，提取出本区的异常，得出视电阻率等值线断面图，图中明显反映了低阻异常区的分布位置，为后期资料解释奠定了基础。

图2 归一化前(上)、后(下)视电祖率等值线断面Fig.2 Isoline section of normalized pre(upper)and post(lower)apparent resistivity

2.2 资料解释

资料的解释推断遵循从已知到未知、从简单到复杂、从局部到全工作面的原则。充分收集和研究各种地质、水文地质、钻孔及相邻工作面的勘查成果等资料，根据视电阻率等值线的空间变化规律及等值线的密集变化特征，并结合现场勘查情况，充分考虑各种复杂因素对观测结果的影响。综合分析，从定性到定量，反复进行，将电性成果转化为地质成果。

3 应用实例

3.1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地南缘的彬长矿区，其地层由老至新依次为中生界三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、环河-华池组(K1hn+h)，新生界第三系上新统保德组(N2)，第四系下更新统(Q1)、中更新统(Q2)、上更新统(Q3)及全新统(Q4)。影响煤层开采的主要含水层有洛河组中粗粒碎屑岩含水层，安定组中部及底部、直罗组底部砂岩含水层以及延安组含煤地层砂岩承压含水层。其中，洛河组中粗粒碎屑岩含水层一般厚284 m，该层单位涌水量0.258 6～0.436 5 L/(s·m)，为无界承压含水层和富水性中等的含水岩组；安定组中部及底部、直罗组底部砂岩含水层为层间含水，单位涌水量0.000 05～0.002 6 L/(s·m)，富水性弱；延安组含煤地层砂岩承压含水层，为中粗粒砂岩、砂砾岩含水层段，厚度18～40 m左右，单位涌水量0.000 046～0.000 74 L/(s·m)，富水性弱。在巷道掘进期间，揭露了断层一条，为F6正断层，产状150°∠46°，落差H为6～10 m。

3.2 施工参数

由于受矿井施工条件限制，本次采用三极固定MN装置，无穷远极的布设沿着巷道布设，且无穷远极OB的距离大于3倍的最大供电电极距OA。供电极距OA采用算术极距，极间距为10 m，最小OA为25 m，最大OA距为180 m；无穷远极OB不小于700 m。接收极距MN/2采用固定形式，为5 m和15 m，两接口处取视电阻率平均值。

3.3 成果分析

图3为归一化前后视电阻率等值线平面图，反映了工作面4号煤顶板上120 m范围内含水层的电性分布形态。圈定了区内富水异常分布位置，同时分析在距切眼700～1 000 m之间的A号异常，存在上、下联通导水通道的可能性较大。A号富水异常区为F6正断层造成的局部裂隙较为发育及延安组上段、直罗组、安定组砂岩层局部富水所致，该异常在4号煤层顶板上20～120 m范围内均有不同程度的发育，推测此异常延伸区域大，A号异常区富水性较强。该异常为本区重点异常。B号富水异常区为砂岩层富水所致，该富水异常区在4号煤层顶板上45 m和120 m处出现不同规模的异常区，B号异常区富水性较弱。经矿方后期回采揭露情况，在回采临近至A号富水异常区附近，顶板压力、淋水增大。电性反应特征与实际揭露资料一致。

图3 视电祖率等值线平面Fig.3 Isoline plan of apparent resistivity

4 结论

(1)将井下采集的数据进行视电阻率转换后，依据现场调查情况，剔除坏点数据，采用归一化视电阻率法进行数据处理，保证了资料的真实性，资料解释时避免了失真造成的误区。

(2)经归一化视电阻率法资料处理，有效提高横向、纵向分辨率，弱化了背景场，突出了异常场，解释成果与回采揭露资料吻合。

(3)归一化视电阻率法是基于视电阻率与线性函数的结合，是煤矿井下水文探测最理想、有效的物探方法之一，可为煤矿安全生产提供技术支持。