地面高密度电法探测技术在煤矿隐伏构造探测中的应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年 月 收稿日期：；：作者简介：贾继平（），男，陕西铜川人，注册安全工程师，年毕业于西安科技大学采矿工程专业，现从事地测防治水技术管理工作。引用格式：贾继平，杨惟博，高竊 地面高密度电法探测技术在煤矿隐伏构造探测中的应用 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）地面高密度电法探测技术在煤矿隐伏构造探测中的应用贾继平，杨惟博，高竊（陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 ；陕西双龙煤业开发有限责任公司，陕西 延安 ）摘要：双龙煤矿 综采工作面地表水体下开采，保证工作面安全开采是亟待解决的问题。其上覆岩层中是否存在古河道以及古河道的发育特征情况，必须在工作面回采前探测清楚，并采取必要的防治措施。地面高密度电法是近些年新兴的一种新型阵列勘探方法，具有采样密度高、一次性测量、高分辩率、高精度、信息丰富，解释方便等特点，已广泛应用于煤矿地质勘探及地质构造超前探测中，可有效探测矿井空间中的各种地质异常体，为煤矿提供相应的地质技术保障。以探测 工作面上覆地层古河道为例，介绍了高密度电法工作原理和工作方法，详述了高密度电法探测技术在矿井隐伏构造探测中的应用，为矿井安全开采提供了可靠的勘探成果。关键词：地面高密度电法；隐伏构造；古河道；防治水中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：年第 期煤炭科技第 卷陕西双龙煤业开发有限责任公司为黄陵矿业集团有限责任公司的下属煤矿（以下简称双龙煤矿），核定生产能力 万 。区内地表水系发育，矿井地表最大河流为沮水河，并分布有双龙西沟、北沟和王村沟等多个沮河支流，其中王村沟流经规划开采的 综采工作面地表，综采工作面开采一旦波及到上述水体，势必会影响矿井的安全生产。根据双龙煤矿区域水文地质情况，工作面地层中可能存在古河道冲刷带，导致 综采工作面回采过程中，地表水通过古河道冲刷带进入工作面，对 综采工作面的安全回采造成严重威胁。基于此，针对 工作面上覆岩层中是否存在古河道进行勘察。采用地面高密度电法，结合水文地质条件，通过综合分析、反演排除干扰项等手段，对 综采工作面上覆地层中存在的异常情况进行分析判别，并推断可能存在的古河道冲刷带位置，为防治措施和安全开采提供可靠资料。高密度电法原理电阻率法（电法）勘探是地球物理勘探中的重要方法之一，是以岩土体的电性差异为物理基础，通过观测分析电场分布变化规律来解决地质问题的一种地球物理勘探方法 。电阻率是表征物质导电性的基本参数，表征电流垂直通过某种物质组成的边长为 的立方体时而呈现的电阻 。常规电阻率法的原理为，假设待测区域内大地电阻率是均匀的，对于测量均匀大地电阻率数值，原则上可以采用任意形式的电极排列来进行，即在地表任意两点（，）供电，然后在任意两点（，）来测量其间的电位差，可求出、两点的电位：()()（）显然，在 间所产生的电位差：()（）可得均匀大地视电阻率的计算公式为：（）式中，。电法勘探的常用装置如图 所示。图 电阻率法勘探常用装置 高密度电阻率层析成像（又称电阻率 技术）是以静电场理论为基础，以探测目标体的电性差异为前提，采用新型阵列勘探方法 ，是一种融合了电测深和电剖面的勘探方法。高密度电阻率层析成像（技术）方法是先在测线上保持电极之间的距离，同时移动、逐点观察，全部电极测量一次后，再将电极之间的距离加大，然后再逐点观察；如此反复，直到电极之间的距离达到最大为止 。成图后形成倒梯形的断面，既能看出垂直的变化，又能看出水平的变化，即显示的数据为二位数据。高密度电法工作如图 所示。图 高密度电法工作示意 年第 期贾继平，等：地面高密度电法探测技术在煤矿隐伏构造探测中的应用第 卷 研究区域研究区域为双龙煤矿 综采工作面范围内，工作面对应地表处于深山沟壑地区，地表森林植被覆盖，无建筑物，王村沟河（沮水河分支）从工作面上方自北向南流经，为常年性沟流，宽约 ，深 ，枯水期正常流量为 ，丰水期雨季最大水流量可达 以上；王村沟河地面标高 ，河道处第四系黄土厚度 。工作面面宽 ，可采长度 ；主采号煤层，煤层埋深 ，标高 ；煤层厚度 ，平均厚度 ，倾角约为 。工作面上覆地层分别为第四系全新统、侏罗系中统直罗组，侏罗系中统延安组，综采工作面地质三维图如图 所示。图 综采工作面地质三维 工作面上覆岩层中侏罗系中统直罗组上段隔水层发育完整，有效阻隔了地表水和第四系水进入下伏含水层中。如果该隔水层中发育有古河道冲刷带，则上覆地表水和第四系水通过古河道冲刷带进入与下伏含水层沟通，对 工作面安全回采造成威胁。古河道最主要的特点是以卵石或粗砂层为底，与河床相沉积，向上过渡为砂层或粉砂层。在垂直剖面上，颗粒大小以底部粗、上部细为序；纵剖面看，上游较下游粗一些。正常情况下，在横向上电性差异应该较小，如果有古河道发育，则该处地层会存在大量的空隙和裂隙，该区域会出现相对高（不富水）或低（富水）的电阻率反映。这为采用高密度电法勘查古河道提供了良好的地球物理前提 。测点布置高密度电法勘探使用 型高密度电法仪，高密度电法测线与 工作面平行布置，测线方向 ，按 线距、点距的网度进行。分别在终采线和开切眼位置向外各延 ，共布置高密度电法测线 条（编号为 线），每条测线均布置有效控制测点 个（编号为 点），共计测点 个。测点测线布设时，一般障碍不绕行、不走捷径，因地形或建筑物影响难以到达准确点位时，采用引线连接，确保测点测线布设准确，导线敷设到位；电极在埋设时，若遇浮砂，均用铁锨铲去浮砂，然后浇灌盐水，保障电极与地面接触良好，接地电阻一般不大于 ，以保障供电电流，提高信噪比；在数据大小发生突变的地方要求复测检查，查明原因或增加观测密度。同时，按照不少于 的比例在全区布置检查点，以检查观测质量，观测资料经检查符合质量要求后，方能用于解释。资料解释根据反演结果绘制各测线的视电阻率断面图。在视电阻率断面图上，视电阻率从低至高分别用蓝青绿黄红紫等颜色标示。下面选取测区的典型视电阻率断面图进行分析。断面图分析线视电阻率断面如图 所示。图 线视电阻率断面 该测线位于测区中部偏东，地形变化较为平缓、整体上南北高中间低。由图 可见，在横轴 处，目标层附近有一高阻异常（图 中以红色虚线矩形圈定），视电阻率高于 ，根据其平面位置的分布，命名为高阻异常 ，结合地质资料，推断该位置可能存在不（弱）富水的古河道；在横轴 处，目标层附近有一低阻异常（图 中以蓝色虚线矩形圈定），主体视电阻率低于 ，根据其平面位置的分布，命名为低阻异常 ，结合地质资料，推断其为直罗组富水区；同理，结合地质资 年第 期煤炭科技第 卷料，将图 中所示的低阻异常 、低阻异常 、低阻异常 解释为直罗组富水区。线视电阻率断面如图 所示。该测线位于测区东边界，地形变化较为平缓、整体上南北低中间高。由图 可见，在横轴 处，目标层附近有一高阻异常（图 中以红色虚线矩形圈定），视电阻率高于 ，根据其平面位置的分布，命名为高阻异常 ，该处地势较低，结合地质资料，推断该位置可能存在不（弱）富水的古河道；在横轴 处，目标层附近有一低阻异常（图 中以蓝色虚线矩形圈定），主体视电阻率低于 ，根据其平面位置的分布，命名为低阻异常 ，结合地质资料，推断其为直罗组富水区，但该处地势较低且低阻异常 在 处发育至地表，因此不排除该处为古河道富水；此外，结合地质资料，将图 中所示的低阻异常 、低阻异常 、低阻异常 解释为直罗组富水区。图 线视电阻率断面 平面图分析在视电阻率断面图数据的基础上，按照深度和视电阻率的对应关系，以 的间距提取直罗组底界至其上 （标高 ）的视电阻率平面图，如图 所示。根据平面图上的视电阻率分布，能更加直观地圈定各个层位的高低阻异常，从而结合地质资料分析目标层位的富水区等地质异常体的分布。在视电阻率平面图上，将视电阻率高于 的区域划为高阻异常区并以红色实线圈出，将视电阻率低于 的区域划为低阻异常区并以蓝色实线圈出。由图 可见，对低阻异常而言，从直罗组底界上 至 的整体分布变化不大，但在细节上有较大变化，从直罗组底界上 至直罗组底界则面积大大减小，这也符合直罗组到延安组的富水性变化规律；对高阻异常而言，从直罗组底界上 至直罗组底界面积逐步缩小。图 直罗组底界至以上 视电阻率平面 成果综合分析根据平面上视电阻率的分布，兼顾垂向上视电阻率的分布及变化趋势，综合分析并排除干扰因素后，测区内共圈定 处高阻异常、处低阻异常，其分布如图 所示，异常简要信息见表 。结合地质、钻孔、水文等资料，经对成果进行详尽细致的分析、反复的对比解释，结论如下。（）测区内圈定高阻异常 处，位于测区东南角，面积 万，结合地质资料，推断为不（弱）富水的古河道，该高阻异常区可能影响侏罗系中统延安组上部相对隔水层，造成侏罗系中统直罗组下段砂岩含水层和侏罗系中统延安组中部含水层沟通，需进行钻探验证。（）测区内圈定低阻异常 处，面积合计约 万。其中，低阻异常 位于测区东侧偏南，面积约 万，结合地质资料，推断为直罗组富水区或古河道富水区；其余低阻异常结合地质资料，均推断为直罗组下段含水层富水区。（）物探反演得到的深度通常与目标体的实际埋深存在一定偏差，而且埋深越大可能的误差也越大，故本次物探解释的最终成果虽以直罗组底界以上 为主，但对于其他深度的异常，应予以注意。年第 期贾继平，等：地面高密度电法探测技术在煤矿隐伏构造探测中的应用第 卷图 异常分布平面 表 异常信息统计 名称面积万 描述推断解释可靠性高阻异常 面积大、异常强度高、数据质量中等不（弱）富水古河道中等低阻异常 面积较小、异常强度高、数据质量高直罗组或古河道富水区较高低阻异常 面积中等、异常强度高、数据质量高直罗组富水区高低阻异常 异常区面积小、异常强度高、数据质量高直罗组富水区较高低阻异常 面积较小、异常强度中等、数据质量高直罗组富水区较高低阻异常 面积较大、异常强度较高、数据质量高直罗组富水区高低阻异常 面积较小、异常强度较高、数据质量高直罗组富水区较高低阻异常 面积中等、异常强度较高、数据质量高直罗组富水区较高低阻异常 面积小、异常强度中等、数据质量高直罗组富水区中等低阻异常 面积小、异常强度较高、数据质量高直罗组富水区较高 验证及分析对上述异常区位置进一步展开钻探、物探相结合的方式，进行验证，现概述如下。采取水文地质补勘手段对 工作面古河道异常区进行了探查验证，分别对应 号高阻异常区、号低阻异常区以东 处施工个水文长观孔，对应 号、号低阻异常区及终采线以东 处施工个补勘孔，未发现古河道相关沉积特征岩屑（下粗上细的沉积特征）；与此同时，采取音频电透视技术对工作面顶板含水层富水性进行物探，所探测的 处低阻异常区与高密度电法探测的低阻异常区的空间位置基本对应，两种物探结果得到相互验证，符合度较高，后经对低阻异常区钻探验证，其涌水量介于 ，涌水量较小。综上所述，顶板物探探测情况与高密度电法探测情况符合度较高，水文地质补勘施工的 个钻孔均未发现古河道，结合物探多解性特点，此次推断的古河道异常区为直罗组砂岩含水层。在高密度电法原始数据采集及处理中，除受到施工环境客观存在干扰及人工数据处理差异影响外，还受到探测目标层厚度变化、裂隙发育程度及富水性强弱变化等因素影响，而这些因素在当时是未知的、动态的，亦会影响物探数据解释。为避免这种多解性，应结合现场实际地质情况、钻探、物探方式进行综合验证，以得到最终结论。综合此次水文地质补勘钻探取心及地质编录情况分析，高密度电法探测的高阻异常区较工作面其他区域存在直罗组上段隔水层地层厚度相对变厚、岩层裂隙不发育及富水性薄弱等情况，这些情况都可能引起局部地层高阻发生。但就此次高密度电法探测技术在双龙煤矿探测含水层富水性应用情况来看，此项技术可靠性较高，对煤矿安全生产和防治水工作具有很强的指导作用。结论通过高密度电法探测在双龙煤矿的实施和验证，确保 工作面安全回采了 ，回采期间及回采后工作面基本无水。（）采用高密度电法对探测煤矿地层富水性是可行可靠的，此次共探测圈定 处低阻异常区，推断其为直罗组富水区。其中 处重点低阻异常区与之后采用音频电穿透视法进行的顶板物探所得结果在 年第 期煤炭科技第 卷空间位置上基本对应，符合度较高，更加增强了此次高密度电法的技术可行性和成果可信度。该技术在双龙煤矿探测地层富水性的成功应用，为矿井查明区域水文地质条件提供了技术支撑，对提高煤矿防治水技术水平具有一定的推广应用价值。（）通过验证，说明高密度电法探测在对地质构造的解释中具有多解性，需结合目标层厚度、含水层与目标层的高度等相关地质信息，采用钻探验证其厚度、获得岩屑沉积特征，综合得出最终结论，增加解释的正确性。参考文献（）：余智秘 直流电法探测技术在彬长矿区防治水中的应用 陕西煤炭，（）：，（）：马文豪，查文锋 直流电测深技术在底板岩层赋水探测中的应用 陕西煤炭，（）：，（）：，姜杰 直流电测深法在山西某煤矿第四系松散含水层精细探测中的应用 中国煤炭地质，（）：，（）：崔江伟，王一凡，王施智，等 矿井瞬变超前探测技术在石墨矿中的应用 工程地球物理学报，（）：，（）：李永军，朱丽，李小明 直流电法技术在矿井防治水中的应用 华北科技学院学报，（）：，（）：高波，王传雷，刘金涛，等 瞬变电磁方法在河南某煤矿深部含水构造探测中的应用 工程地球物理学报，（）：，（）：关永乾，麻新堂，蔡寒宇 矿井直流电法在煤矿水害预测中的应用 中州煤炭，（）：，（）：沈福斌，王施智，周子鹏，等 两种煤矿井下地质探测技术的对比分析 陕西煤炭，（）：，（）：，裴克选 常用的电法勘探技术的原理及具应用举例 科技创新导报，（）：，（）：张平松，刘盛东，李培根 矿井瞬变电磁探测技术系统与应用 地球物理学进展，（）：，（）：李嘉瑞，马秀敏，姜自忠，等 高密度电法探测第四纪玄武岩覆盖区断裂及其活动性分析 以鸭绿江断裂带抚松段西支断裂为例 地质与勘探，（）：，：，（）：翟培合，张同德，任科科，等 基于最小二乘正则化的高密度电法在小港煤矿 工作面底板中的应用 中国科技论文，（）：，（）：李常松，翟培合，韩进 三维高密度电法在工作面底板富水性探测中应用 山东煤炭科技，（）：，（）：王浩文，许少帅，黄祥祥 基于瞬变电磁法和高密度电法的煤矿采空区探测 地球科学前沿（汉斯），（）：，（），（）：李路明，赵淑红，郭恒 基于高密度电法及瞬变电磁法的矿区采空区探测技术 能源与环保，（）：，（）：