煤层顶板含水构造三维直流电法探测研究

阚雪冬 ，杨 彩 ，张亮亮 ，龚俊岭

（1.焦作煤业（集团）有限责任公司，河南 焦作 454000；2.中国矿业大学 矿山互联网应用技术国家地方工程实验室，江苏 徐州221116；3.中国矿业大学 物联网（感知矿山）研究中心，江苏 徐州 221116；4.焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司，河南 焦作 454000；5.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

煤炭资源在中国国民经济的发展中发挥着不可替代的作用，然而经过长期的开采活动，大量的老矿区浅部煤炭资源即将枯竭，急需开发深部的煤炭资源[1-2]。随着煤矿开采深度的增加，大部分煤矿普遍受到来自奥陶系灰岩高承压岩溶水的威胁；若回采的煤层顶板存在含水体构造及回采过程对顶板岩层造成破坏，在无隔水层的影响下，极易引发突水、涌水、溃砂等矿井灾害事故[3-4]。目前，煤矿井下常用的水害探查技术主要有矿井瞬变电磁法和矿井直流电法。前者在探测过程中极易受井下巷道锚网、工字钢、运输铁轨等金属体干扰，影响探测结果[5]；而矿井直流电法由于其对含水构造具有高度敏感性、强抗干扰能力、观测系统布置灵活等优势，在探测井下煤层顶板隐伏含水构造及突水预警方面起到重要的作用[6]。

矿井直流电法起源于地面的高密度电阻率法。高密度电阻率法是近二三十年发展起来的新型阵列勘探方法，其以地下介质的导电性差异为基础，测量方式高效快捷，成像结果精确，在水文地质[7-8]、地质灾害探查[9-11]、工程与环境勘探[12-13]、矿产资源探测[14-16]等领域得到了广泛的应用。矿井直流电法与地面的高密度电法相比，主要差异在于需要在井下有限的巷道空间内布置设计高效的观测系统，其数据处理和解释环境也由地面半空间转换为井下全空间。

矿井全空间直流电法数据处理与解释技术也逐渐从一维电测深测量到二维电剖面解释，再发展到最新的井下电法三维全空间反演成像技术。随着直流电阻率法正反演算法的不断改进，各种基于半空间或全空间高密度电法反演软件与算法涌现，不仅提高了矿井直流电法勘探数据处理与解释的效率，同时也增加了煤层顶板含水异常构造成像的精度。目前，随着仪器设备的发展与探测需求的提高，多通道电法勘探设备的研发和数据采集模式得到了改进，直流电法采集效率大幅提升，使得在矿井长工作面巷道中布置大型三维电法观测系统成为现实。因此，亟待开展全工作面矿井三维电法数据对工作面顶板含水异常体的感知特征及有效性研究，这对煤矿顶板水害的探查以及煤矿安全生产具有重要现实意义[17]。

1 并行三维直流电法探测原理

网络并行电法目前广泛运用于矿井水害灾害探测。并行电法采用拟地震式的采集方式，包括AM 法（单点源场供电）采集和ABM 法（异性点源场供电）采集，单次激励可同步获取自然场、一次场及二次场电位数据。AM 法跑极形式及单点源供电电位分布如图1，ABM 法跑极形式及双点源供电电位分布如图2。

图1 AM 法跑极形式及单点源供电电位分布Fig.1 Electrodes form and the potential distribution of single-point power supply of AM method

图2 ABM 法跑极形式及双点源供电电位分布Fig.2 Electrodes form and the potential distribution of opposite points power supply of ABM method

单极供电AM 法中，供电电极A 置于测线上循环激励，供电电极B 置于无穷远处，单次测量可获取电法勘探中二极装置与三极装置类型数据；双极供电ABM 法将供电电极A 和电极B 均位于测线上，单次测量可实现获取电法勘探中四极装置类型数据，有效提高现场数据采集效率。

2 矿区地质概况

河南省赵固一矿位于焦作煤田东部、太行山南麓。矿区内主要赋存煤层为二1煤层，东西向长约为15 km，南北向宽约2.0～5.5 km，赋煤面积约为47.40 km2；煤层位于山西组底部，平均厚度为6.13 m，煤层顶板松散层厚度平均为480 m，基岩面厚度范围为36.4～59.3 m，赋存稳定。煤层上方主要覆盖第四系风化层，主要由黏土和砂质黏土组成，并含有多层砂砾含水层。此次煤层顶板含水构造三维直流电法探测地点在赵固一矿某试验工作面。根据试验工作面综合钻孔资料，二1煤层顶板岩性从下至上依次划分为砂质泥岩、中粒砂岩（平均厚度12 m，位于煤层顶板5～17 m）、砂质泥岩、泥岩、细砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩及第四系松散黏土层。掌握该工作面煤层顶板是否存在含水构造对保障二1 煤层安全回采、防止突水事故的发生至关重要。

3 基于O 型观测系统的电法相似物理模拟实验

3.1 煤层顶板相似物理模型构建

根据矿山压力相似模拟实验理论，利用不同比例的细砂、石灰、石膏和水的配比模拟出不同岩性地层，构建煤层顶板相似物理地层模型；根据实际回采工作面规模和实验平台的尺寸，确定模型与实际地层几何相似比为1∶100，物理模型的铺设尺寸为2 000 mm×300 mm×860 mm，对应实际工作面尺寸为200 m×30 m×86 m。

利用黏土制作不同规模的低阻异常体（一般黏土中因为含有金属离子具有较低的电阻率，其水分含量较高时，电阻率较低），以模拟顶板砂岩层含水构造体。为了更好验证对于低阻异常体的探测效果，3 个异常体均布置在模型煤层顶部上方40 mm 的砂岩层中心处；采用O 型观测系统，共布置96 道电极，电极间距为30 mm，均布置在模型煤层上边界处，为避免电极与平台两侧隔挡钢板接触，影响探测效果，电极布置均与模型架边界有一定距离。以煤层顶部左下方点为坐标原点建立三维直角坐标系，O 型观测系统电极xy平面分布图如图3，1#代表1 号电极，电极间距为30 mm；物理模拟模型异常体的xz面和xy面分布示意图如图4 和图5，蓝色部分为不同尺度的异常体，3 个异常体分别为A1、A2、A3，为了便于表示，只标注了煤层与砂岩层。

图3 O 型观测系统电极xy 平面分布图Fig.3 O-type observation system electrode xy plane distribution diagram

图4 物理模拟模型异常体xz 面分布示意图Fig.4 Schematic diagram of xz plane distribution of anomaly in physical simulation model

图5 物理模拟模型异常体xy 面分布示意图Fig.5 Schematic diagram of xy plane distribution of anomaly in physical simulation model

本次物理模拟实验采用了基于并行电法采集方法的矿用电法仪器和矿用采集基站，为保证与实际采集装置的几何相似率，电极采用细铜螺钉模拟，连接线采用多排细铜线连接。根据计算出的相似物料配比，在实验平台上铺设模拟地层，保证各层物料配比准确、混合均匀。从煤层顶板依次布设顶板砂岩层、异常层、泥岩层等地层；布设总厚度为800 mm。在物理模型稳定后，对物理模型矿进行三维直流电法数据采集，采集电源电压为96 V，数据采集方法采用三极法。供电电极的平均发射电流在50 mA 以上，说明电极耦合条件良好，电法数据稳定可靠。

3.2 相似物理模拟实验反演结果

电法数据采集完成后，对异常的电流和电位值进行剔除，然后利用计算的视电阻率值进行全空间电阻率三维反演，对反演的三维电阻率数据体进行相似模型架中模拟煤层顶板岩层不同高度的电阻率切片。物理模型煤层顶板电阻率反演图如图6，图中：蓝色虚线框为该高度异常体在切片图上的水平投影，红线为测线。

图6 物理模型煤层顶板电阻率反演图Fig.6 Physical model coal seam roof resistivity inversion diagram

由图6 可知：整体物理模型顶板岩层背景电阻率值都在30 Ω·m 以上，低阻异常体反演的电阻率值均在6～20 Ω·m 之间，基本反映了物理模拟模型背景岩层的高阻特征与异常体模型的低阻特性；当距离煤层顶部60 mm 时，切片图反映了物理模型砂岩层的背景电阻率值约为28 Ω·m，左右2 处出现的低阻异常区域，据推测可能是该层距离模型架底部钢板较近，造成的低阻干扰所致；当距离煤层顶部100 mm 时，预埋的3 个异常体在切片图中均有低阻异常反映，反演电阻率值约为8 Ω·m，反演的低阻区域虽然与设置异常体模型边界不完全对应，但也大致反映出异常体的相对位置和大小，其异常体电阻率值与背景值相比，仍呈现明显的低阻特征；当电阻率切片为140 mm 时，相较于高度100 mm 的切片，反演的低阻异常体电阻率值增加，异常区域缩小。结果表明：随着高度的增加，基于O 型观测系统的三维电法勘探的分辨率逐渐降低。

4 工程实际应用

在河南省赵固一矿某试验工作面，布置实际的基于网络并行电法多基站级联的三维O 型电法观测系统和探测设备，进行全空间矿井三维直流电法数据的采集，对采集的数据进行三维全空间反演成像，探查顶板可能存在的低阻异常构造。

4.1 现场观测系统布置

在煤层回采工作面巷道设计布置顶板三维O型观测系统，电法测线总长度为2 424 m；沿巷道将整个试验工作面环绕布置，电极间距8 m；按逆时针方向共布置304 道电极，整体O 型观测系统尺寸为1 120 m×104 m。为保障电法采集数据质量，在巷道顶部沿45°角向斜上方施工长为1.5 m、直径为30 mm 的顶板孔，孔内布置不锈钢发射与测量电极，孔内其余空间用黏土塞满，保证电极与煤层顶板直接耦合良好。煤层顶板电极施工布置示意图如图7。

图7 煤层顶板电极施工布置示意图Fig.7 Coal seam roof electrode construction layout diagram

现场采集供电电压为96 V，采集方式为三极法，采集过程中所有供电电极平均发射电流大于100 mA，表示煤层顶板电极耦合条件较好，电法数据质量稳定可靠。

4.2 实际数据反演结果

利用电位和电流作为原始数据进行电阻率三维全空间反演成像，对反演的三维电阻率数据体进行顶板岩层不同高度的水平切片。因电法勘探反演分辨率随深度增加而降低，因此靠近煤层顶部反演电阻率切片数据较多，远离煤层顶部电阻率切片数据较少。试验工作面煤层顶板三维直流电法电阻率反演结果如图8，共划分2 处异常区域，用黑色线框表示，分别命名为A1、A2。

图8 试验工作面煤层顶板三维直流电法电阻率反演结果Fig.8 Coal seam roof 3D DC resistivity inversion results

从反演结果总结试验工作面煤层顶板岩层富水性特征如下：

1)工作面顶板从煤层顶部向上电阻率值逐步降低，在工作面顶板52 m 以上岩层电阻率均表现为相对低阻特性（平均值在10 Ω·m），之后不随距离煤层高度而显著变化。结合实际的地质资料分析，推测距离煤层50 m 以上为第四系黏土层，表现为整体低阻特性，50 m 以下为顶板基岩层，表现为相对高阻特征。

2)该工作面顶板基岩层区域划分2 个异常区域。其中异常1 在工作面顶板上方40 m 处电阻率切片左侧（黑色矩形框），结合矿方钻孔资料和地质勘察资料，推测该处为煤层顶板基岩面由砂泥岩层向第四系松散黏土层接触过渡区域，因此呈现低阻特性；异常2 在工作面顶板上方9 m 至40 m 范围内，靠近电阻率切片右侧区域（黑色椭圆框），表现为低阻异常，且该低阻异常区域面积随距煤层高度的增加，呈现先减小后增大的趋势。结合矿方地质勘察资料，该低阻区域靠近某断层，受到煤层顶板内断层风化作用的影响，断层周围破碎带充泥和黏土导致的低阻特征，且断层形态变化也影响了不同高度上破碎带的发育，导致不同切片高度上低阻异常区域面积的变化。

以上异常区域划分后经矿方打钻验证，基本符合分析结果，验证了矿井三维直流电法在煤层顶板富水性探查在实际应用的有效性。

5 结 语

1）利用基于O 型观测系统的矿井直流电法对煤层顶板岩层富水性进行三维探查，可有效探明顶板岩层中含水异常构造的位置与规模，确保煤层安全回采。

2）相对于传统的矿井直流电法电法勘探，采用基于网络并行采集的O 型观测系统三维矿井直流电法，采集数据量更大，采集效率更高，对异常体定位成像更准确。各实验结果表明：煤层顶板异常体规模越大，埋深越浅，O 型观测系统探测分辨率越高，结合先进全空间直流电法三维反演成像技术，可对异常体进行更精确的定位。

3）针对煤层顶板岩层典型的含水异常构造正反演效果虽然很好，但是实际中对异常体的反演效果仍然与观测系统形式；电极间距、异常体埋深和规模有很大关系，需要对反演算法进一步改进，以提高对异常体反演成像的精度与分辨率。