高密度電阻率法在承壓水導(dǎo)升高度探測中的應(yīng)用

張志武

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250114)

我國煤田的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水災(zāi)事故時有發(fā)生，且具有破壞性大、搶救難度大以及損壞周期長等特點，因而水害也被歸為礦井的五大災(zāi)害之一[1-3]。工程中礦井的水文探測對于礦井活動的安全進行具有重大意義。由于礦井地下巖石的導(dǎo)電性與其含水性相關(guān)，因此礦井水文探測方法在選擇上主要以電法勘探為主，高密度電阻率法由于具備測點密度大、效率高以及可以得到更多電信息等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地球物理探測[4-6]。文章主要通過利用高密度電阻率法進行礦井承壓水導(dǎo)升高度的動態(tài)監(jiān)測，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析從而為相關(guān)數(shù)值模擬提供符合現(xiàn)場實際的水壓施加點及水頭壓力值。

1 地質(zhì)概況

在實際應(yīng)用中，選定山東省某礦井的3501工作面進行探測。該工作面地處于礦井西翼的東部，位于-300 m井底車場南側(cè)，工作面向南100 m左右以及東部、西部、北部均以斷層為界。3501工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定，工作面寬度約4 m，沿傾向長約90～110 m，走向長約480 m，煤層厚度平均5.5 m，煤層傾角為8～18°。

由于地處含水層，3501工作面水文情況較為復(fù)雜，該處的含水層在垂向上的分布具有鮮明分帶特性，且含水層基本為靜儲量，鉆探過程中在煤層底板處均有水流涌出。在對巷道電測異常區(qū)域進行施工鉆孔時發(fā)現(xiàn)，兩鉆孔的平均涌水量分別約為4.7 m3/h和6.9 m3/h，涌水持續(xù)時間較長。

2 探測方法的選擇

為了精確且連續(xù)的監(jiān)測煤層底板巖層承壓水的導(dǎo)升高度，同時考慮到煤巖性質(zhì)及其裂隙中的含水性，采用常高密度電阻率法進行礦井的水文勘探。與傳統(tǒng)電阻率法及其他方法相比，高密度電阻率法改進了測定方式，可以同時反映地下一定深度巖石水平方向及垂直方向上巖性的變化規(guī)律，具有效率高、測點密度大以及采集的數(shù)據(jù)準確等特性，因而應(yīng)用最廣泛[7-8]。

3 布置方法

根據(jù)該礦3501工作面的巷道布置情況，決定在工作面進、回風(fēng)巷沿巷道布置測線，如圖1所示。進、回風(fēng)巷分別以Y2和H1為起點，相鄰測點間距為6 m，沿巷道測線長度共布置80個測點，測線長度476 m，隔離系數(shù)N最大為15，工作面切眼處以Y2為起點，相鄰測點間距為6 m，沿工作面傾向長度共布置19個測點，測線長度108 m，最大隔離系數(shù)N為5。在本實驗測定中，采用SR-4型數(shù)字電法儀對高密度電阻率法測定的數(shù)據(jù)進行采集。

圖1 3501工作面工程布置平面圖

4 結(jié)果分析

4.1 進風(fēng)巷測定結(jié)果分析

根據(jù)測定結(jié)果繪制如圖2(a)所示的排列視電阻率的斷面圖及比值Ts斷面圖，該電阻率斷面圖主要反映底板處電阻率的分布情況。

由圖2(a)可以看出，當電極間距為60～300 m的范圍內(nèi)時，剖面較為一致，電阻率的變化較為均勻，除了部分巷道的積水導(dǎo)致較低的電阻率外，其值大約都在80～120范圍內(nèi)，此時的承壓水自然導(dǎo)升高度約為-68 m。在圖2(b)中的比值斷面圖中，在220～240 m的范圍內(nèi)也顯示出低值區(qū)，承壓水自然導(dǎo)升高度約為-40 m，該范圍的視電阻率高于50，認為在指定的勘測范圍內(nèi)，此區(qū)域比相同深度的回風(fēng)巷有較低的含水性。而從圖中可以看出，除此處之外的其他區(qū)域得到的視電阻率普遍高于100，證明該底板的巖層基本不含水。

圖2 進風(fēng)巷不同排列方式成像斷面圖及比值斷面圖(圖中描粗曲線為電阻率低值異常區(qū))

4.2 回風(fēng)巷測定結(jié)果分析

根據(jù)測定結(jié)果繪制了α排列視電阻率斷面圖及Ts斷面圖，如圖3所示。

由圖3(a)可以知道，在反映煤層及其底板電性特征的極距范圍內(nèi)，電阻率的值都在95以上，且?guī)讉€小斷層內(nèi)沒有出現(xiàn)低電阻率的情況，說明該處為不含水層。當電極間距在235～255 m范圍時，該處的電阻率值出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為45以下，顯然這是由于巷道內(nèi)含水所導(dǎo)致。因此由上述分析可以判斷出，該巖層承壓水自然導(dǎo)升高度約上升到距離煤層底板49 m處。在判斷底板巖層的含水及其承壓導(dǎo)升情況時，發(fā)現(xiàn)在180～250 m的x坐標范圍內(nèi)的電阻率值小于35，而該區(qū)域內(nèi)Ts比值斷面圖也表現(xiàn)為低值異常，如圖3(b)粗線所示，從而判斷該低阻區(qū)距離煤層底板約30 m。電阻率低阻區(qū)通常與煤巖層的含水性的出現(xiàn)有很大關(guān)聯(lián)，由上述的分析可以判斷，在回風(fēng)巷勘探區(qū)域的局部巖層有較強的含水性，且承壓水自然導(dǎo)升高度較高，在實際的開采掘進中應(yīng)特別注意。

圖3 回風(fēng)巷不同排列方式成像斷面圖及比值斷面圖(圖中標紅曲線為電阻率低值異常區(qū))

5 結(jié) 語

本文采用高密度電阻率法，通過布置測定方案對承壓水高度進行了現(xiàn)場勘測，通過對測定得到的高密度電阻率成像結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)電法相比，高密度電阻率法可一次性布設(shè)電極無需更換，同時可設(shè)定多種電極排列參數(shù)，從而獲得豐富的電信息結(jié)構(gòu)，結(jié)合本文的分析結(jié)果來看，證明該方法適合進行承壓水導(dǎo)升高度的探測。

2) 通過對現(xiàn)場探測結(jié)果的圖像分析可知，巖層的含水情況可通過探測區(qū)域的電阻率異常情況進行判斷，從而確定巖層含水性的強弱，為實際的開采掘進提供依據(jù)。

3) 現(xiàn)場探測結(jié)果分別得到了進、回風(fēng)巷中電阻率異常區(qū)的范圍，從而確定了該處承壓水自然導(dǎo)升高度距煤層底板的位置，在實際煤層開采過程中可有效避免水災(zāi)事故的發(fā)生。