综合物探方法在煤矿老空水及其涌出通道探测中的应用研究

卢向星 孙 旭 李仁杰

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

我国的一些矿产资源由于开采后未进行有效的采空区处理，造成了大量的巷道和采煤空间隐伏于矿区的现象[1]。由于地下水加上地表水作用，大量的水体会积聚于采空区之中形成老空水。这些水体不仅会带来巨大的经济损失，更会影响生态和人类正常生存环境，甚至会威胁生命财产安全[2]。因此，老空水的探测与治理工作已经是亟须解决的问题。地球物理方法因其经济、快速、无损的特点，已在资源勘查、水文地质、工程地质等领域都得到了广泛应用[3]。而单一的物探方法都有各自的局限适用条件，加上采空区的地电条件复杂，难以准确探测采空区分布范围、空间展布特征以及废水流通方向，因此，开展综合物探方法探测显得更为重要。

针对老空区的精确探测，传统方法是利用地面钻探划定老空水的三线，进而确定积水区位置[4]。随着现代科技的飞速发展，老空区探测技术得以长足发展，其中，地球物理方法因其快速、无损特点而得到广泛应用。而老空区的低电阻特征为地球物理方法查明采空区展布及富水提供了有利条件。地面综合物探中，高密度电阻率法是一种对低阻相对敏感的方法，可有效确定采空区的具体位置及积水情况。例如陈晓春[5]等人利用高密度电阻率法划定了煤层地表覆盖厚度及圈定了地下采空区及其富水性情况。孙飞[6]等人通过高密度电法结合钻掘勘探结果探测隐伏于矿区之下的采空区具体位置，为煤矿矿山采空区地质勘探和处理提供了数据支持。

仅仅查明采空区的积水范围是不够的，由于早期开采范围不明的老空水以及开采废弃的采空区，破坏了原有的地下水补给排泄通道，在地质条件发生变化时极易引发老空水涌水问题，在地表造成一定的污染[7-8]。因此，探明地表涌水的渗流通道是老空水探测中的一个重要环节。物探方法中的充电法因其操作方便且效果显著，常用于水流通道的确定。例如：何公民[9]等人利用充电法对老窑井口充电，探测老窖采空区的积水通道，并绘制了电位剖面图。李黔西[10]等人利用充电法确定了岩溶裂隙发育情况及其平面分布位置图。

本文针对贵州省麻江县摆沙河流域煤矿采空区积水涌出造成的周边环境污染问题，采用高密度电阻率法和充电法查明采空区分布范围、采空区积水情况及渗水通道位置。通过分析两种方法的联合探测结果，为煤矿废水的综合治理提供一定参考。

1 研究区地质概况

研究区位于贵州省黔东南苗族侗族自治州麻江县摆沙河流煤矿矿山残留的巷道密集区。区内高山分布，中间区域以大面积田地为主，总体风化程度较高。场地内覆盖层主要有耕植土、黏土等第四系土层。分布的基岩主要为灰岩，属于岩溶发育地区。研究区有一处涌水点，位于测线L1 南侧，涌水点周围为农田，北侧为一条公路，表层为耕植土覆盖，涌水呈线流状、小股状，水中附带泥沙呈黄褐色。

图1 研究区地理位置及测线位置

2 装置工作原理

2.1 高密度电阻率法原理及测线布置

高 密 度 电 阻 率 法（Electrical Resistivity Tomography，简称ERT，以下简称高密度电法）是以探测区域岩（矿）石及地下水等介质导电性能的差异为基础，分析在稳定的电流场作用下地质体中电流传导分布的规律，并对相应区域的地质问题提供物理性勘探的方法[11-12]。测量时，通过供电电极AB 向地下供电，测量电极MN 测量电位差ΔUMN，通过式（1）得到地下介质的视电阻率ρs。

式中：K为装置系数，其大小与电极间距有关，表达式如式（2）所示。

高密度电法采用组合式电极排列，装置结构如图2（a）所示，测量方式通常以多电位测量为主，即温纳装置、偶极装置、微分装置等。相较于传统电阻率法，高密度电法观测点密度更高，电极布设一次性完成，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距，从而完成数据的快速采集[13]。一次布设可以获取大量原始数据，完成二维横向及纵向的勘探过程，既能反映沿水平方向岩土体的电性变化，又能提供地层岩性随着深度的纵向电性变化。对某一极距而言，其结果相当于电阻率剖面法，而对同一记录点处不同极距的观测又相当于一个测深点，所以高密度电阻率法实际上就是电阻率剖面法和电阻率测深法的综合[14]。

图2 装置观测原理图

根据研究区岩溶发育情况和地质地形条件，本次高密度电法测线沿巷道密集区（近东西向展布）进行布设，共布设1 条高密度电法测线，电极距设置为5 m，电极数60 道，测线总长295 m。结合温纳装置和斯伦贝谢尔对地质体垂向及横向有着适度的灵敏度，成本低，效率高，反映地电、地质信息更丰富、更直观，利于进行纵向的分层及横向的分带，且数据覆盖程度好，数据质量较高，对接地电阻要求较低的特点，本文采用温纳装置和斯伦贝谢尔装置进行观测。

2.2 充电法原理及测线布置

充电法是一种以地下岩、矿石导电性差异为物质基础的传导类人工电场法[15]。其利用高矿化度的地下水与地下岩石电阻率的差异，通过向露头充电的方式来观测其充电电场的分布，便可据此推断出高矿化度地下水的分布情况[16]。

充电法常用观测方式主要有电位法、电位梯度法和直接追索等位线法。其中，电位梯度法工作时将测量电极M 和N 保持一定距离(通常为1～2个测点距)，沿测线一起移动，逐点进行电位差ΔUMN。计算点位梯度：ΔUMN/IMN，电位梯度法的测量结果一般记录在MN 中点，通过电位梯度值有正有负，根据电位梯度曲线零点及正负变化点确定良导体位置[17]。该方法优势在于探测结果的正负值过渡位置，对地下水的反应较为灵敏，能比较准确明显地对地下水流进行定位，故本文选择电位梯度方式进行充电法测量。

本次研究通过向落水洞中加入大量食盐，使水的电阻率大大降低，从而接近理想导体，再以落水洞为充电点，开展充电法的工作。根据煤矿开采区域的分布特征及地形的变化特征，地表产生的异常现象，本次研究共布设了3 条充电法的测线。测线沿着巷道密集区，涌水点北侧布设L1、L2、L3号测线，走向近东西向，设置测点距统一为2 m，L1、L2、L3 测点数分别为20、15、20，测线总长分别为38 m、28 m、38 m。

3 探测结果分析

3.1 采空区范围分布的确定

老空区由于积水富集，与围岩电阻率存在显著差异，导致电性结构和影像特征变化较为明显，以及场地的良好条件，为高密度电阻率法的应用提供了有利条件。在研究区内巷道密集区布设的高密度电法测线主要沿东西向展布，经数据采集及反演处理后得到图3 所示结果。其中图（a）、（b）分别为温纳、斯伦贝谢尔装置的反演电阻率剖面。

图3 横剖面反演结果图

由图3（a）所示的温纳装置反演结果图可以看出，测区电阻率分布较为均匀，普遍存在一个表层较高、下伏地层较低的特性，且高阻分布的范围较为单一。高阻异常主要集中在测线水平距离160～260 m、深度15～35 m 的中深部区域，电阻率普遍大于3000 Ω·m，推测该处为比较完整的基岩层，且含水量较低。在测线160 m 往后的里程，存在埋深0～20 m 左右的条带状开放式低阻区域，但是在埋深超过20 m 的下伏区域的电阻率较高，结合研究区域现场情况，该部分测线经过田地，表层土体含水率较高，影响了该部分区域的电阻率值，导致低阻异常。

从斯伦贝谢尔装置反演结果中（图3b）看出，高阻区主要分布在测线右侧200～260 m 区域，埋深大于12 m。低阻区主要分为两个部分，一部分分布在测线水平距离160 m 之后的浅层区域，另一部分分布在水平距离80～180 m、埋深20～35 m 处，深度较大，且呈现低阻圈形式。斯伦贝谢尔装置的低阻异常体位置与温纳装置相吻合。

结合两种装置反演图综合分析，在测线里程160～260 m、埋深15～35 m 处，存在明显的层状分布的高阻区域，且随着深度的增加，电阻率值也愈来愈大，推断这部分岩体为岩性强度较高、风化程度低的基岩部分。在测线里程80～160 m、埋深30～50 m 处，圈定区域存在低于耕地引起的低电阻区域，且埋深较大，范围更广，低阻连续性较强，结合该处地质条件，推测该异常区域可能为下方大面积采空区所引起，且采空区造成了一个向四周发展的透水裂隙，在横向以及纵向上引起一个较大范围的低阻异常情况，为老空水的流动提供了优势通道。

3.2 渗水通道位置的确定

本次充电法测线均布设于工作区巷道密集区东侧，沿西南-东北方向分别布设在田边房屋西面、涌水点的北侧。采用电位梯度法进行观测后，将结果绘制为如图4 所示的电位梯度曲线。

图4 充电法观测结果图

由图可知，三条曲线均存在正负电位梯度值的过渡点，即y 轴0 点位置，该点为代表该剖面老空水排泄通道的位置。其中L1 约在14～15 m 内出现电位正负值过渡情况，推测该位置为地下水流通道位置。同样，L2 线电位正负值过渡位置约在16 m，而L3 线约在14 m 出现水流通道。结合测线的布置情况分析以及涌水点位置，可以推断三条测线圈定的正负电位过渡点偏转方向微弱，基本位于同一直线上，说明该涌水点的北侧存在与水源相通的水流通道。综合高密度电阻率反演剖面及充电法结果推断该点涌水的渗流通道与老空区有所关联。

4 结论

1）煤矿开采过后造成大量空腔的出现，而积水聚集会导致老空水区域出现低阻异常。根据高密度电阻率法的温纳装置和斯伦贝谢尔装置反演结果可以看出，该煤矿最大采空区位置位于测线水平距离80～160 m 范围内，最大埋深超过40 m，受到煤矿废水低阻作用影响，在电阻率剖面图中主要以电阻率低于145 Ω·m 的低阻体呈现。

2）选择充电法中的电位梯度法对该煤矿开采区域内的地下水流通通道进行圈定，得出的涌水点通道主要位于研究区北侧，推测是由于采空区长时间的地下水汇集作用，加上当地复杂的岩溶条件，且渗水通道与涌水点连通，导致大量的老空水进入通道产生涌水现象。

3）综合分析高密度电阻率法、充电法结果，划定了老空区的具体位置及展布情况，确定了地下水流通道的空间分布特征。充电法的电位梯度曲线图和高密度反演断面图相互验证，可以查明老空水的位置，对流通通道进行疑点提示，对采空区位置及渗水通道进行定性分析，取得较为显著的效果。