羅 聰，徐 林，楊生文

（貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊，貴州 貴陽 550081）

頂板富水區(qū)主要有頂板巖溶通道和淺部采空區(qū)。在掘進和生產(chǎn)中，采用高效精確的探測方法探測礦層采掘工作面頂板的采空區(qū)、巖溶通道，提前排出或避開頂板水患，對采礦安全生產(chǎn)和減少經(jīng)濟損失具有重大意義。高密度電阻率法能宏觀的反映礦層頂板富水區(qū)的分布形態(tài)，是探測頂板富水區(qū)的一種精確、高效、低成本的重要方法。

1 高密度電阻率法的基本概念及斯倫貝謝裝置原理

1.1 高密度電阻率法的基本概念[1]

高密度電阻率法的基本概念同直流電阻率法相同。在地面下施加穩(wěn)恒電流場，將電源兩端通過兩個接地電極（A、B）接地，從而使電流通過大地與電源構成閉合回路，形成兩個點電源的電場。通過兩個測量電極（M、N）測量其電場強度。當測量電極M、N的電極距相對AB很小的時，假設地表水平，M、N中間段的電場強度可視為是均勻的，因此有：

相比于正常電場，設地表水平，地下均勻各向同性巖石電阻率為ρ，MN間的電流密度為j0，這時（3）式可寫成：

此式為視電阻率的微分表達式，式中j0只由裝置的大小和類型確定，當確定了裝置類型，那它就為一個已知的常量。

1.2 斯倫貝謝裝置[2]

圖1 斯倫貝謝裝置示意圖

圖1為斯倫貝謝裝置示意圖，其裝置系數(shù)K=πn（n+1）a，其中a為電極間距，n為隔離系數(shù)，MN=a，AM=NB=na。斯倫貝爾裝置數(shù)據(jù)采集排列方式見圖2。

圖2 斯倫貝爾裝置數(shù)據(jù)采集圖形的排列方式

它的視電阻率ρs表達式為：

2 模型正演試驗及成果分析

假設地下目標地質(zhì)體和圍巖電阻率分布規(guī)律為已知，求其電場分布規(guī)律稱為電阻率正演。

本文采用的是瑞典的RES2DMOD軟件運用有限單元法、結合煤礦頂板巖溶通道建立地下地質(zhì)體模型進行正演數(shù)值模擬，研究高密度電阻率法在煤礦頂板巖溶通道的電性分布特征，通過對正演模擬數(shù)據(jù)進行反演成圖，結合地質(zhì)模型分析對比、總結規(guī)律，為實際應用中資料分析解釋提供參考[3]。

2.1 模型試驗

如圖3為高密度建立的充填型地下高阻體-低阻體及低阻體-高阻體縱向重疊模型的斷面圖。四個規(guī)模大小為120m×20m的長方形異常體，Ⅰ、Ⅳ號高阻體ρs=5000Ω·m，Ⅱ、Ⅲ號低阻體ρs=200Ω·m，Ⅰ、Ⅲ號異常體中心埋深40m，Ⅱ、Ⅳ號異常體中心埋深80m，異常體在水平均勻的圍巖介質(zhì)中，上部灰?guī)r地層ρs=2000Ω·m，下部煤系地層ρs=1000Ω·m。Ⅰ號高阻體為未充填或半充填巖溶通道，Ⅱ號低阻體為充水或泥采空區(qū)，Ⅲ號低阻體為充水或泥巖溶通道，Ⅳ號高阻體為未充填或半充填采空區(qū)。

地面設計長度為1000m，采用斯倫貝謝裝置，設定電極數(shù)為101，電極距為10m。

從圖4模型視電阻率斷面圖中可以看出Ⅰ、Ⅱ號高阻體-低阻體縱向疊加組合異常反應明顯，Ⅰ號高阻異常規(guī)模大小與地電斷面圖異常吻合，Ⅱ號低阻異常體反應明顯，異常中心偏下，異常范圍大于地電斷面圖異常范圍；Ⅲ號低阻異常體反映明顯，異常中心下延，異常范圍縱向往下大于地電斷面圖異常范圍；Ⅳ號高阻體反映明顯，異常中心偏下，異常范圍縱向大于地電斷面圖異常范圍，橫向小于地電斷面圖異常范圍；地層分界面明顯。斷面中間深部出現(xiàn)一個較大的低阻假異常，斷面780m～880m點位間，深度60m以下發(fā)育一個假異常。

2.2 小結

在對水平煤系地層與灰?guī)r地層中的采空區(qū)及巖溶通道的模擬實驗中可以看出，高密度電阻法能較精確的區(qū)分巖性界面，高密度探測縱向疊加高阻～低阻、低阻～高阻異常體時橫向縱向均有很好的分辨率，深部異常體中心位置低于實際中心位置，深部低阻異常體范圍大于實際異常范圍，深部高阻異常體縱向大于實際異常范圍、橫向小于實際異常范圍。

這說明在充分結合地質(zhì)資料的情況下，探測水平煤系地層與灰?guī)r地層中縱向疊加的采空區(qū)和巖溶通道是可以分析出深部的采空區(qū)和巖溶通道的位置。視電阻率斷面圖在深部出現(xiàn)的假異常應充分結合地質(zhì)資料加以判斷。

圖3 高密度模型地電斷面圖

圖4 模型視電阻率斷面圖

3 采礦中的實際應用分析

3.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)目的層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），二疊系上統(tǒng)長興組（P3c），三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段+玉龍山段（T1y1+2），地層巖性及水文地質(zhì)特征見表1。

F23斷層：規(guī)模較大，貫穿整個井田，區(qū)內(nèi)走向延長大于3000m，斷距15m～30m，傾向80°～90°，傾角65°～70°，為一正斷層，地表見明顯斷層破碎帶，破碎帶寬5m～40m。

表1 地層巖性及水文地質(zhì)特征

3.2 施工方法

本次探測采用斯倫貝謝裝置，電極極距10m，AB/2=15m、25m……455m，MN/2=5m、15m、25m、35m、45m。每個電極采用RTK測量坐標和高程，采用澆鹽水及敷泥等方式降低接地電阻。

圖5 試驗線反演剖面

3.3 剖面成果及分析

3.3.1 已知點探測試驗

如圖5試驗線470m點位以南9m為落水洞，地表標高1304m；490m點位以南為落水洞，地表標高1302m；500m號點位以南4m為落水洞，地表標高1298m。落水洞發(fā)育區(qū)段距地表20m以淺呈相對高阻異常，電阻率值大于1700Ω·m，推斷為溶洞發(fā)育未填充或半填充影響范圍；距地表20m～50m呈相對低阻異常，電阻率值小于600Ω·m，推斷為溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍。深部電阻率分布較為均勻，推斷深部T1y1+2完整。

圖6 1線反演剖面

3.3.2 1線反演剖面分析

如圖6為1線反演剖面。550m點位以南60m為常年流水泉點，水面標高1260m。940m點位以南10m為落水洞，落水洞直徑約15m，落水洞被泥充填。1085m點位位于采空區(qū)裂隙帶上，1120m至1310m為8號煤層已知8號煤層已采采面。F23斷層經(jīng)過地表560m至600m點位間。圖中地層界線根據(jù)地質(zhì)勘探報告剖面劃定?，F(xiàn)1線反演剖面分析如下：

（1）小號至534m點位間、標高1270m至1255m T1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅰ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍；560m至586m點位間、標高1275m至1245m T1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅱ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍。以上2個低阻異常補給測線以南60m處常年流水泉點。

（2）F23號正斷層在剖面淺部斷層破碎帶反映明顯，但在深部相對地質(zhì)勘探報告描述斷層帶擴大，表明高密度電阻率法在探測斷層破碎帶時淺部分辨率高，深部分辨率不及淺部。

（3）860m至918m點 位 間、標 高1220m至1160m T1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于450Ω·m，推斷為Ⅲ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍；933m至953m點位間、標高地表至1294m T1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于200Ω·m，推斷為Ⅳ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍，該異?？梢酝茢嗟乇沓雎冻淠嗦渌闯氏鄬Φ妥璁惓＃疃燃s15m；1018m至1062m點位間、標高1293m至1260m T1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育團塊狀相對低阻異常，電阻率值小于600Ω·m，推斷為Ⅴ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍；886m至1077m點位間，標高從地表至1237mT1y1+2灰?guī)r內(nèi)發(fā)育有條帶狀低阻異常，電阻率小于850Ω·m，推斷為巖溶發(fā)育充水或泥影響范圍。Ⅳ、Ⅴ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍發(fā)育在同一巖溶發(fā)育充水或泥影響范圍內(nèi)，推斷Ⅳ、Ⅴ號溶洞發(fā)育充水或泥影響范圍相互貫通。

（4）從地層界面可以看出在小號至1260m段T1y1+2+P3c灰?guī)r地層與P3l煤系地層延伸趨勢吻合，但在1260m點號至大號點位間地質(zhì)界線不吻合，推斷為受采空區(qū)裂隙帶及垮落帶引起的水文地質(zhì)情況變化引起的綜合反映。

（5）充水或泥采空區(qū)在剖面上的反映并非呈團塊狀相對低阻異常，受其垂向上裂隙帶及垮落帶影響其發(fā)育范圍在垂向上大于實際范圍，但在橫向上采空區(qū)發(fā)育范圍與已知采空區(qū)發(fā)育范圍基本吻合。

4 結語

（1）高密度電阻法能較精確的區(qū)分高低阻巖性界面，但實際應用中受采空區(qū)裂隙帶及垮落帶引起水文地質(zhì)情況變化綜合影響，其在采空區(qū)附近的地質(zhì)界面反映不明顯。

（2）高密度探測淺部巖溶通道是橫向縱向均有很好的分辨率，但探測深部采空區(qū)異常時中心位置低于實際中心位置，深部充水或泥采空區(qū)范圍大于實際異常范圍，深部未充填或半充填采空區(qū)縱向大于實際異常范圍、橫向小于實際異常范圍。

（3）高密度電阻率法在探測正斷時淺部斷層破碎帶反映明顯，但在深部斷層破碎帶界面時分辨率不及淺部。