淺埋煤層覆巖含水層富水性探測聯(lián)合反演研究

郭亮亮，張 艷，吳彩艷，王 崗

（1.陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000；2.陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000）

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

本文研究區(qū)位于榆橫礦區(qū)東部，主要開采煤層為3 煤，煤層厚度平均約3 m，埋深約150 m左右。首采工作面為綜采工作面， 由于主采煤層埋藏淺，回采產(chǎn)生的冒落裂隙帶易導(dǎo)通上部的基巖含水層和風(fēng)化基巖含水層，增大礦井涌水量，影響安全生產(chǎn)。 工作面回采前應(yīng)查工作面上部覆巖含水層的富水情況， 為礦井防治水措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。研究區(qū)域本次限定為該礦東部的1—6 測線。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)煤礦地下水的賦存條件及水力特征，將煤礦地下水劃分為兩種類型：即第四系松散巖類孔隙潛水和中生代碎屑巖類裂隙承壓水；劃分四個含水巖層（組）：第四系全新統(tǒng)砂層孔隙潛水、第四系中更新統(tǒng)離石組黃土裂隙孔隙潛水、侏羅系中統(tǒng)碎屑巖類風(fēng)化帶裂隙潛水、 侏羅系碎屑巖類裂隙承壓水。

中生界碎屑巖類地層中的泥巖、 粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖均呈互層狀沉積，巖性粒度小，孔隙率小，膠結(jié)致密，抗變形破壞性較強，一般以水平層理為特征，是本區(qū)上、下含水層段之間相對較好的隔水層。采動時泥巖和粉砂巖中裂隙帶發(fā)育高度較小，裂隙導(dǎo)水性也差，具有一定的隔水性能。

從首采工作面涌水可知，風(fēng)化基巖、離石組黃土等含水層存在局部的富水異常區(qū)，其富水性具有平面上及縱向上的不均一性，在局部可能存在充水強區(qū)。 另外，由于周圍煤礦已開采多年，形成了大面積的老空區(qū)，在老空區(qū)低洼地帶形成了一定量的積水。 相鄰工作面煤層回采過程中，由于頂板周期跨落后導(dǎo)水裂隙的影響，可能會造成礦井涌水量劇增或突水情況。

圖1 研究區(qū)域測線布置

2 觀測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測系統(tǒng)

由于煤層埋深小于200 m，本次物探采用高密度直流電法進行含水層富水性的探查，測線的走向為北西-南東，長度為600 m，采集位置在兩條電纜的中點。 為了充分發(fā)揮MNB裝置采集后方數(shù)據(jù)和矩形AMN矩形裝置的優(yōu)勢[1-3]，數(shù)據(jù)采集儀器采用高密度電法WDZD-4 系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集過程中，前一段電纜采用MNB裝置，后一段電纜采用矩形AMN 裝置[4-8]，每一條裝置采集849 個數(shù)據(jù)點， 一條測線共采集1 698 個數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完后，先將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將每一條測線的不同裝置數(shù)據(jù)進行合并，再將合并后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電極坐標(biāo)- 電阻率格式[9-11]。 該格式不僅可以讀入res2d軟件，而且可以直接轉(zhuǎn)換為三維格式，讀入res3d格式，方法簡單實用。 格式轉(zhuǎn)換完成后，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，在預(yù)處理過程中，對電阻率值采用比值法進行處理，剔除極大與極小值，減少電阻率異常隨機干擾。

預(yù)處理完成后，再將數(shù)據(jù)讀入res2d，對數(shù)據(jù)進行剔除突變點處理。 剔除后再對電阻率曲線進行插值處理，進一步圓滑電阻率曲線[12-14]。 然后，對地電模型進行網(wǎng)格剖分，在剖分過程中可以采用均勻剖分或者非均勻剖分，根據(jù)探測目標(biāo)的需求，選擇可以選擇不同剖分方式。 地電模型剖分完成后，對正反演參數(shù)進行設(shè)置，可以調(diào)整反演深度和層厚等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完成后，對數(shù)據(jù)進行反演處理。本文反演方法為圓滑最小二乘法， 經(jīng)過4 次迭代反演后，得到了二維剖面圖。

圖2 二維剖面反演斷面

圖2 中在反演圖中兩側(cè)呈現(xiàn)高阻區(qū)，由于二維剖面成梯形剖面，而本剖面的矩形剖面是梯形剖面的插值呈現(xiàn)的，因此，剖面兩側(cè)呈現(xiàn)盲區(qū)，不是真實地反映巖層剖面的導(dǎo)電性。 同時，由于測線間距為40 m，在兩測線之間存在盲區(qū)。 為了更好地探測目標(biāo)區(qū)內(nèi)富水異常區(qū)，將不同測線的數(shù)據(jù)由二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對測區(qū)采集數(shù)據(jù)進行三維反演。

圖3 三維反演切片

由于1—6 測線在二維反演過程中， 已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，因此，將不同測線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)， 只需建立不同測線數(shù)據(jù)Y方向的坐標(biāo)即可實現(xiàn)。將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入res3d軟件進行反演處理[15-16]，得到了三維數(shù)據(jù)體，見圖3（a）。 將三維反演數(shù)據(jù)導(dǎo)入Slice Dlcer三維可視化軟件，繪制三維數(shù)據(jù)體。 三維數(shù)據(jù)體長600 m、寬160 m、高150 m，該數(shù)據(jù)體可以根據(jù)需求制成不同深度水平切片圖3（e—g）及垂直切片圖3（b—d），根據(jù)需求呈現(xiàn)低阻異常區(qū)范圍見圖3（f）。

3 資料解釋

對比二維水平剖面及三維數(shù)據(jù)圖y=0 m處的剖面可知，圖3（a）中低阻異常區(qū)的分布更廣，范圍更大； 而三維數(shù)據(jù)體中的異常區(qū)主要分布在X=250～360 m范圍內(nèi)，在X=50～250 m也呈現(xiàn)低阻異常區(qū)，但該區(qū)域內(nèi)巖層電阻率相對較高，而二維電阻率圖中低阻區(qū)連成一處低阻區(qū)，給解釋工作面帶來很大困難。 圖3（b）中的電阻與圖3（c）中兩側(cè)插值形成的盲區(qū)更自然，更符合巖層電阻率分布規(guī)律。 由上分析可知，三維反演成果更符合巖層電阻率分布規(guī)律。 同時，利用三維電阻率反演體，可以將三維數(shù)據(jù)體y=20 m處的電阻率剖面呈現(xiàn)出來，這是二維電阻率不能呈現(xiàn)的。 根據(jù)圖3（d）可知，隨著測線號不斷增大，x=250～350 m處的低阻區(qū)范圍變形， 低阻值增大。

利用三維數(shù)據(jù)體可以制作不同深度的切片圖，圖3（e）切片中可知，在z=50 m處，松散層低阻區(qū)主要分布在D5—D6 測線350～500 m處。圖3（f）切片可知，z—70 m處對應(yīng)地層風(fēng)化基巖處，風(fēng)化基巖異常區(qū)主要集中在D5—D7 測線350～450 m處。 圖3（g）中切片z=120 m對應(yīng)頂板砂巖層位，圖中低阻異常區(qū)主要分布在D1—D3 測線250～350 m范圍，D5—D6 測線350～450 m范圍內(nèi)。 為了將低阻體位置展現(xiàn)出來，將高阻區(qū)剝掉，圖3（h）將低阻體范圍呈現(xiàn)出來， 從圖中低阻異常體主要集中在D1—D3測線250～350 m頂板砂巖異常體以及局部松散層和風(fēng)化基巖的零星分布的低阻異常體，不同含水層之間沒有形成明顯的聯(lián)系通道。

4 結(jié)語

1）在多組二維電阻率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過增加Y 方向電阻率坐標(biāo)，構(gòu)建三維直流電法數(shù)據(jù)格式，利用三維直流電法反演軟件res3d， 能夠?qū)崿F(xiàn)三維直流電法數(shù)據(jù)處理。

2）與二維直流電法反演相比，三維直流電法反演不僅可以避免各測線之間的盲區(qū)，而且能夠避免二維直流電法反演避免局部收斂引起的異常，探測效果更準(zhǔn)確。

3）基于二維數(shù)據(jù)三維直流電法反演，能夠?qū)\埋煤層頂板上巖層富水區(qū)展現(xiàn)出來，指導(dǎo)礦井對工作面頂板含水層進行超前疏放水， 達到礦井涌水“削峰平谷”的效果。