三維改進并行電法福建小煤礦底板富水區(qū)探測

邱占林 曾東富 郭玉森

（1.龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012；2.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007；3.福建紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364204）

1 改進并行電法三維探測技術(shù)

1.1 改進并行電法的基本原理

改進并行電法是常規(guī)直流電阻率法的一種，是繼高密度電阻率法集電剖面與電測深為一體的基礎上發(fā)展起來的新一代電法勘探技術(shù)。該技術(shù)是主要基于陣列式、擬震式思想開發(fā)的電法技術(shù)，具有多裝置、多極距的高密度組合功能，同時還具有多次覆蓋疊加的快速、同步數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢，具有能夠探測鉆孔外圍一定范圍的能力，最大側(cè)向探測距離為電極控制段的長度。由于采用并行電法勘探技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集具有同時性和實時性，可得到供電時測線上的各電極點全部電位曲線，使得改進并行電法圖像更趨于真實合理，仿真效果更好，從而大大提升了視電阻率的縱、橫向時間分辨率。

根據(jù)分布式電極觀測裝置的不同，改進并行電法數(shù)據(jù)采集方式可分為兩種：AM法（單點電源場）和ABM法（雙點電源場）[1-4]（圖1）。利用改進并行電法儀所采集的原始數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)高密度電阻率法和高分辨地電阻率法物探解譯，也可以進行2D或3D電阻率反演成像解釋。同時，改進并行電法勘探系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)屬于全電場空間的電位值，其同步性電位測量，有效避免了因時間差引起的數(shù)據(jù)干擾問題。

圖1 改進并行電法采集方式及電位變化情況

1.2 三維探測的技術(shù)原理

三維探測技術(shù)是基于改進并行電法的3D反演并進行觀測系統(tǒng)改進的一種新勘探技術(shù)，其實質(zhì)在于3D電阻率層析（CT）全空間成像技術(shù)。觀測系統(tǒng)一般布置于兩條巷道中，形成空間展布范圍廣的3D透視掃描CT系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)底板富水區(qū)探測的目的，將測線系統(tǒng)分別布置在工作面運輸巷和回風巷中，切眼巷道因其距離較短而不布置電極，工作站的布設一般根據(jù)探測距離的長短而定。具體布置方法為充分利用工作面兩條巷道，如在運輸巷中布置供電—測量系統(tǒng)，在回風巷中布設無窮遠供電B極。當運用改進并行電法儀進行電位變化情況數(shù)據(jù)采集時，運輸巷中各供電電極A與回風巷中對應無窮遠極B形成觀測地電場，電極A（1#～64#）逐點供電依次掃描，形成類似于無線電波透視掃描的扇形觀測區(qū)，其他電極通過程控實現(xiàn)電位值的實時、同步測量，實現(xiàn)雙巷空間的全電場3D透視效果。當采集結(jié)束時，將系統(tǒng)和無窮遠極在兩條巷道中對調(diào)，再次實施采樣，可獲取海量地電場參數(shù)，達到對底板及以下區(qū)域的多次覆蓋測量，有利于異常值的檢驗和剔除，大大提高了3D電法的探測精度。若探測距離較長時，每條巷道可布置多工作站測線系統(tǒng)，其編號規(guī)定為巷道號—工作站號，即測線（i-j）?，F(xiàn)場布置時，前工作站最后一個電極與后工作站第一個電極位置重合，并依次移動另一巷道中的無窮遠B（i-j）極（圖2）。

圖2 改進并行電法三維探測現(xiàn)場布置

數(shù)據(jù)反演處理時，將其電極坐標統(tǒng)一規(guī)定在井下坐標系統(tǒng)內(nèi)，并對各站地電數(shù)據(jù)進行有效拼接，聯(lián)合進行雙巷全空間3D全空間視電阻率CT成像反演，其3D模型反演及求解修改量Δm如下式所示：

式中：

G-Jacobi雅克比矩陣；

λ-阻尼因子；

Δd-觀測參數(shù)值d與正演理論值d0的殘差向量；

Δm-3D初始模型m的修正向量；

C-3D模型光滑矩陣。

3D反演一般流程為：首先將其模型剖分成3D網(wǎng)格，其寬度一般為0.5～1個電極距，然后求取所劃分網(wǎng)格單元內(nèi)用于反演的電導率值參數(shù)。3D反演的觀測數(shù)據(jù)是全空間電場背景下所測量的單極-單極電位值參數(shù)或單極-偶極電位差值參數(shù)。且因其變化范圍較大，通常選取對數(shù)來表示反演數(shù)據(jù)及3D模型參數(shù)，用于改善反演的可靠性和穩(wěn)定性。將3D地電數(shù)據(jù)體進行水平切面及垂直剖面綜合提取，可得到采煤工作面內(nèi)及底板下不同深度的視電阻率值分異情況，形成直觀的視電阻率三維探測成果圖。結(jié)合已有的基礎地質(zhì)及物探資料，可綜合分析該工作面內(nèi)及底板下不同標高范圍內(nèi)的富水區(qū)（性）情況，從而實現(xiàn)雙巷改進并行電法3D全空間探測。

1.3 三維探測的物性基礎

由于待測區(qū)域內(nèi)地層層序清楚，層位穩(wěn)定，其橫向、縱向上均表現(xiàn)出一定的電性變化規(guī)律。運用改進并行電法可3D探測采煤工作面橫向上的低阻含水、導水構(gòu)造及富水區(qū)（性）分布規(guī)律，同時也可探測縱向上不同深度的地質(zhì)構(gòu)造、富水及其導通問題。當采煤工作面內(nèi)及底板下巖層中存在斷層等構(gòu)造變形時，其電阻率值通常會發(fā)生相應變化；當存在富水區(qū)時，該區(qū)域與周圍巖層存在顯著的電性結(jié)構(gòu)差異，一般呈現(xiàn)出低電阻率值。兩者均將打破巖層電性結(jié)構(gòu)在橫向與縱向上的原有規(guī)律。這種變化特征的存在，為以電性差異為應用地球物理基礎的改進并行電法3D探測的實施提供了良好的物探前提[1]。

2 三維探測實例分析

2.1 研究區(qū)概述

福建小井尖煤礦處在閩西南聚煤區(qū)中部含煤條帶，二疊系中統(tǒng)童子巖組（P2t）是主要煤系地層[5]。該礦主采38、39號煤層，28、29號煤層局部可采，年產(chǎn)量9萬t/a，屬于福建省小煤礦規(guī)模。首采面為+620-38號采煤工作面，水文地質(zhì)條件屬中等類型，主要充水水源為38號煤層頂板砂巖裂隙水及棲霞組（P2q）底板灰?guī)r水。38煤層底板至棲霞灰?guī)r間距正常情況下為35.4～55.1m，平均間距為38.7m。其頂板砂巖裂隙水，是采掘巷道直接充水水源，主要通過斷層、裂隙等通道以淋水或滴水的方式向巷道排泄。該工作面發(fā)育F2逆斷層，導水性弱，一般不會給正常的生產(chǎn)帶來水害威脅，而F4正斷層（產(chǎn)狀：258°∠43°，垂直斷距H=0～40m），局部與底板砂巖裂隙或棲霞灰?guī)r溶隙導通，導水性較強，是需要防范的區(qū)域。

2.2 現(xiàn)場布置及數(shù)據(jù)采集

為了探測該煤礦+620-38號采煤工作面的底板富水區(qū)情況，在礦方地質(zhì)部門的配合下，采用改進并行電法探測技術(shù)對工作面兩側(cè)巷道底板及以下范圍內(nèi)的巖層視電阻率分布特征進行3D全空間探測。井下數(shù)據(jù)采集坐標系選取以運輸巷F2斷層位置為平面直角坐標原點（0，0），沿該巷指向F4斷層點（437，0）方向為X軸正向，則垂直回風巷方向為Y軸正向。現(xiàn)場直接在雙巷底板依次布置電極和電法測線，運輸巷和回風巷各布置4站，其中第一站、第二站、第七站、第八站為運輸巷探測工作站；第三站、第四站、第五站、第六站為回風巷探測工作站（圖2）。每巷均布設64個電極，極距為5m，切眼巷道不布設，每站測線長度為315m。數(shù)據(jù)采集采用NPEI-DHZI-1改進并行電法勘探系統(tǒng)，現(xiàn)場實施的采集方式為AM法，每站輪流選用0.5s和2.0s恒流供電方波采集數(shù)據(jù)一次，并進行了全部復測，復測結(jié)果基本相同，從而保證了電阻率數(shù)據(jù)采集的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）選取全空間數(shù)據(jù)類型，深度轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.5，二次場延遲時間范圍為0～100ms等控制性參數(shù)，對系統(tǒng)所存儲的原始數(shù)據(jù)采取AM裝置形式進行不同功能模塊的預處理。

（2）本次處理的電極坐標采用（X，Y，Z）形式，規(guī)定F2斷層點為坐標原點，切眼指向運輸巷為X正方向，沿著切眼巷道為Y正方向，Z坐標值取0。

（3）在預處理參數(shù)輸入后進行整周期各電極的電流-電壓轉(zhuǎn)換，通常采用其均值或方差值，本次處理采取均值替代二次場參數(shù)。

（4）由此獲得穩(wěn)定電流值I與電位值V后進行畸變異常值剔除，結(jié)合背景值分析，明顯不符合規(guī)律的畸變值一般是由供電—測量電極藕合條件的改變或井下金屬器具、游散電場等干擾所引起。

（5）利用傳統(tǒng)直流電法視電阻率計算公式可進行視電阻率值模塊計算，但為了進一步獲得真實、有效、可靠的電阻率值，則需要對預先處理的視電阻率進行二次解編、插值，多余地電信息校正與光滑約束處理，全空間電場3D反演，進而得到逼近真電阻率值的反演模型結(jié)果。

（6）從模型結(jié)果中提取3D地電數(shù)據(jù)體，進行視電阻率水平切面和垂直剖面成圖，并選surfer和illustrator軟件進行輔助成圖[5]。

2.4 探測結(jié)果分析

對工作面兩側(cè)雙巷采集的數(shù)據(jù)采用全空間三維電阻率反演CT成像技術(shù)，利用全空間3D層狀模型，可有效反映工作面底板下不同深度的巖層電性分布及變化規(guī)律，可直觀反映探測區(qū)域的相對低阻區(qū)總體連通情況，主要通過形成工作面底板不同深度的視電阻率異常區(qū)水平切片的空間總體分布來表示。結(jié)合工程揭露的煤巖層、地質(zhì)構(gòu)造條件以及巷道底板積水情況，對該工作面兩側(cè)巷道之間底板富水區(qū)分布及連通性進行綜合分析。但工作面底板下不同層位的相對低阻異常區(qū)的電阻率閾值因不同巖性地層而異，因而只能通過同一層位中電阻率值的相對大小來劃分，電阻率值明顯減小的區(qū)域則為相對富水區(qū)。據(jù)此可知，該工作面探測區(qū)域的底板下90m范圍內(nèi)存在6個低阻異常區(qū)域，其電阻率值均在20Ω·m以下，分別定義為DZ1～DZ6改進并行電法低阻異常區(qū)（圖3），分述如下：

（1）DZ1低阻區(qū)：靠近回風巷，位于X=1040～1180m，Y=120～168m之間，大小形態(tài)比較穩(wěn)定，發(fā)育較深，沿工作面底板向下延伸超過55m，進入灰?guī)r地層，可能與棲霞灰?guī)r水有較強的水力聯(lián)系，為重點防范區(qū)域之一。

（2）DZ2低阻區(qū)：靠近回風巷，位于X=740～810m，Y=140～180m之間，上小下大發(fā)育，電阻率值較穩(wěn)定，朝工作面底板下延伸達40m，在棲霞灰?guī)r頂界面處消失，未進入灰?guī)r地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

（3）DZ3低阻區(qū)：靠近回風巷，位于X=365～415m，Y=150～180m之間，透鏡狀發(fā)育，電阻率值變化不大，底板負法向延伸深度為40m。與DZ2相似，在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

（4）DZ4低阻區(qū)：靠近運輸巷，位于X=620～708m，Y=0～36m之間，大小形態(tài)比較穩(wěn)定，電阻率值呈現(xiàn)由上而下升高的趨勢，朝底板負法向延伸不超過40m，未進入棲霞灰?guī)r地層。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。但在Z=-10～ -20m處，低阻值范圍沿X方向展布變大，與F4斷層局部導水有關，需要引起注意。

（5）DZ5低阻區(qū)：靠近運輸巷，位于X=440～600m，Y=0～40m之間，橫向展布范圍較大，低阻異常區(qū)向下逐漸變小甚至尖滅，朝工作面底板下方延伸也不超過40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。但與DZ4類似，受F4斷層影響，在中部出現(xiàn)低阻區(qū)范圍變大的情況，需要注意防范。

（6）DZ6低阻區(qū)：靠近運輸巷，位于X=305～365m，Y=0～60m之間，形態(tài)略微有變化，電阻率值由小變大再變小，沿底板下方延伸深度不超過40m。在不考慮受巖性變化的前提下，可能與底板砂巖裂隙水有一定的水力聯(lián)系。

2.5 探查驗證

根據(jù)綜合分析結(jié)果，礦方有針對性地實施探放水鉆孔。其中低阻異常區(qū)DZ1處的鉆孔ZK1，孔深56.7m，其出水量隨著鉆進深度的增加而增大，由 10.43m3/h（Z=-25m） 上 升 至 23.67m3/h（Z=-55m），據(jù)此說明了該異常區(qū)富水性強，受棲霞灰?guī)r水的影響大；ZK2孔深45m，施工至-30m時，鉆孔出水量陡然增大到19.72m3/h，且鉆孔巖心出現(xiàn)擦痕等斷層證據(jù)，由此表明DZ4、DZ5受控于導水斷層F4，其富水性強。后續(xù)施工的輔助性驗證鉆孔ZK3、ZK4，分別對應于DZ4、DZ5，進一步證明DZ4、DZ5是F4正斷層發(fā)育且導水所致?？傮w上，與探測分析結(jié)果較為吻合。

圖3 工作面底板不同深度三維探測異常區(qū)總體分布情況

3 結(jié)論

（1）改進并行電法三維探測技術(shù)是通過觀測系統(tǒng)的改進及3D電阻率反演CT成像而建立的一種全空間3D觀測技術(shù)，對礦井底板法向深度范圍內(nèi)相對低阻異常體具有良好的響應，為工作面水害防治提供適用性強的物探手段。

（2）探測應用實例證明該三維探測技術(shù)能有效獲取工作面底板電性變化深度剖面，能較直觀地反映相對低阻異常區(qū)的總體連通情況，實現(xiàn)富水區(qū)的3D全空間圈定，與工程鉆探驗證結(jié)果較為一致，對疏水減壓探放水鉆孔與注漿加固施工起到較好的指導作用。

（3）福建小煤礦地質(zhì)條件復雜，低電阻率值的高變質(zhì)無煙煤對低阻含水異常體具有一定的干擾，需要聯(lián)合多種物探技術(shù)，補充對比驗證，方可達到較為理想的地質(zhì)探測效果。電阻率值與巖層富水性之間的定量關系研究及3D反演過程中冗余構(gòu)造信息的有效利用，均需要進一步探討。