高密度电阻率法在顶板岩溶通道探测中的研究及应用

罗 聪，徐 林，杨生文

（贵州省煤田地质局一七四队，贵州 贵阳 550081）

顶板富水区主要有顶板岩溶通道和浅部采空区。在掘进和生产中，采用高效精确的探测方法探测矿层采掘工作面顶板的采空区、岩溶通道，提前排出或避开顶板水患，对采矿安全生产和减少经济损失具有重大意义。高密度电阻率法能宏观的反映矿层顶板富水区的分布形态，是探测顶板富水区的一种精确、高效、低成本的重要方法。

1 高密度电阻率法的基本概念及斯伦贝谢装置原理

1.1 高密度电阻率法的基本概念[1]

高密度电阻率法的基本概念同直流电阻率法相同。在地面下施加稳恒电流场，将电源两端通过两个接地电极（A、B）接地，从而使电流通过大地与电源构成闭合回路，形成两个点电源的电场。通过两个测量电极（M、N）测量其电场强度。当测量电极M、N的电极距相对AB很小的时，假设地表水平，M、N中间段的电场强度可视为是均匀的，因此有：

相比于正常电场，设地表水平，地下均匀各向同性岩石电阻率为ρ，MN间的电流密度为j0，这时（3）式可写成：

此式为视电阻率的微分表达式，式中j0只由装置的大小和类型确定，当确定了装置类型，那它就为一个已知的常量。

1.2 斯伦贝谢装置[2]

图1 斯伦贝谢装置示意图

图1为斯伦贝谢装置示意图，其装置系数K=πn（n+1）a，其中a为电极间距，n为隔离系数，MN=a，AM=NB=na。斯伦贝尔装置数据采集排列方式见图2。

图2 斯伦贝尔装置数据采集图形的排列方式

它的视电阻率ρs表达式为：

2 模型正演试验及成果分析

假设地下目标地质体和围岩电阻率分布规律为已知，求其电场分布规律称为电阻率正演。

本文采用的是瑞典的RES2DMOD软件运用有限单元法、结合煤矿顶板岩溶通道建立地下地质体模型进行正演数值模拟，研究高密度电阻率法在煤矿顶板岩溶通道的电性分布特征，通过对正演模拟数据进行反演成图，结合地质模型分析对比、总结规律，为实际应用中资料分析解释提供参考[3]。

2.1 模型试验

如图3为高密度建立的充填型地下高阻体-低阻体及低阻体-高阻体纵向重叠模型的断面图。四个规模大小为120m×20m的长方形异常体，Ⅰ、Ⅳ号高阻体ρs=5000Ω·m，Ⅱ、Ⅲ号低阻体ρs=200Ω·m，Ⅰ、Ⅲ号异常体中心埋深40m，Ⅱ、Ⅳ号异常体中心埋深80m，异常体在水平均匀的围岩介质中，上部灰岩地层ρs=2000Ω·m，下部煤系地层ρs=1000Ω·m。Ⅰ号高阻体为未充填或半充填岩溶通道，Ⅱ号低阻体为充水或泥采空区，Ⅲ号低阻体为充水或泥岩溶通道，Ⅳ号高阻体为未充填或半充填采空区。

地面设计长度为1000m，采用斯伦贝谢装置，设定电极数为101，电极距为10m。

从图4模型视电阻率断面图中可以看出Ⅰ、Ⅱ号高阻体-低阻体纵向叠加组合异常反应明显，Ⅰ号高阻异常规模大小与地电断面图异常吻合，Ⅱ号低阻异常体反应明显，异常中心偏下，异常范围大于地电断面图异常范围；Ⅲ号低阻异常体反映明显，异常中心下延，异常范围纵向往下大于地电断面图异常范围；Ⅳ号高阻体反映明显，异常中心偏下，异常范围纵向大于地电断面图异常范围，横向小于地电断面图异常范围；地层分界面明显。断面中间深部出现一个较大的低阻假异常，断面780m～880m点位间，深度60m以下发育一个假异常。

2.2 小结

在对水平煤系地层与灰岩地层中的采空区及岩溶通道的模拟实验中可以看出，高密度电阻法能较精确的区分岩性界面，高密度探测纵向叠加高阻～低阻、低阻～高阻异常体时横向纵向均有很好的分辨率，深部异常体中心位置低于实际中心位置，深部低阻异常体范围大于实际异常范围，深部高阻异常体纵向大于实际异常范围、横向小于实际异常范围。

这说明在充分结合地质资料的情况下，探测水平煤系地层与灰岩地层中纵向叠加的采空区和岩溶通道是可以分析出深部的采空区和岩溶通道的位置。视电阻率断面图在深部出现的假异常应充分结合地质资料加以判断。

图3 高密度模型地电断面图

图4 模型视电阻率断面图

3 采矿中的实际应用分析

3.1 地质概况

矿区内目的层为二叠系上统龙潭组（P3l），二叠系上统长兴组（P3c），三叠系下统夜郎组沙堡湾段+玉龙山段（T1y1+2），地层岩性及水文地质特征见表1。

F23断层：规模较大，贯穿整个井田，区内走向延长大于3000m，断距15m～30m，倾向80°～90°，倾角65°～70°，为一正断层，地表见明显断层破碎带，破碎带宽5m～40m。

表1 地层岩性及水文地质特征

3.2 施工方法

本次探测采用斯伦贝谢装置，电极极距10m，AB/2=15m、25m……455m，MN/2=5m、15m、25m、35m、45m。每个电极采用RTK测量坐标和高程，采用浇盐水及敷泥等方式降低接地电阻。

图5 试验线反演剖面

3.3 剖面成果及分析

3.3.1 已知点探测试验

如图5试验线470m点位以南9m为落水洞，地表标高1304m；490m点位以南为落水洞，地表标高1302m；500m号点位以南4m为落水洞，地表标高1298m。落水洞发育区段距地表20m以浅呈相对高阻异常，电阻率值大于1700Ω·m，推断为溶洞发育未填充或半填充影响范围；距地表20m～50m呈相对低阻异常，电阻率值小于600Ω·m，推断为溶洞发育充水或泥影响范围。深部电阻率分布较为均匀，推断深部T1y1+2完整。

图6 1线反演剖面

3.3.2 1线反演剖面分析

如图6为1线反演剖面。550m点位以南60m为常年流水泉点，水面标高1260m。940m点位以南10m为落水洞，落水洞直径约15m，落水洞被泥充填。1085m点位位于采空区裂隙带上，1120m至1310m为8号煤层已知8号煤层已采采面。F23断层经过地表560m至600m点位间。图中地层界线根据地质勘探报告剖面划定。现1线反演剖面分析如下：

（1）小号至534m点位间、标高1270m至1255m T1y1+2灰岩内发育团块状相对低阻异常，电阻率值小于450Ω·m，推断为Ⅰ号溶洞发育充水或泥影响范围；560m至586m点位间、标高1275m至1245m T1y1+2灰岩内发育团块状相对低阻异常，电阻率值小于450Ω·m，推断为Ⅱ号溶洞发育充水或泥影响范围。以上2个低阻异常补给测线以南60m处常年流水泉点。

（2）F23号正断层在剖面浅部断层破碎带反映明显，但在深部相对地质勘探报告描述断层带扩大，表明高密度电阻率法在探测断层破碎带时浅部分辨率高，深部分辨率不及浅部。

（3）860m至918m点 位 间、标 高1220m至1160m T1y1+2灰岩内发育团块状相对低阻异常，电阻率值小于450Ω·m，推断为Ⅲ号溶洞发育充水或泥影响范围；933m至953m点位间、标高地表至1294m T1y1+2灰岩内发育团块状相对低阻异常，电阻率值小于200Ω·m，推断为Ⅳ号溶洞发育充水或泥影响范围，该异常可以推断地表出露充泥落水洞呈相对低阻异常，深度约15m；1018m至1062m点位间、标高1293m至1260m T1y1+2灰岩内发育团块状相对低阻异常，电阻率值小于600Ω·m，推断为Ⅴ号溶洞发育充水或泥影响范围；886m至1077m点位间，标高从地表至1237mT1y1+2灰岩内发育有条带状低阻异常，电阻率小于850Ω·m，推断为岩溶发育充水或泥影响范围。Ⅳ、Ⅴ号溶洞发育充水或泥影响范围发育在同一岩溶发育充水或泥影响范围内，推断Ⅳ、Ⅴ号溶洞发育充水或泥影响范围相互贯通。

（4）从地层界面可以看出在小号至1260m段T1y1+2+P3c灰岩地层与P3l煤系地层延伸趋势吻合，但在1260m点号至大号点位间地质界线不吻合，推断为受采空区裂隙带及垮落带引起的水文地质情况变化引起的综合反映。

（5）充水或泥采空区在剖面上的反映并非呈团块状相对低阻异常，受其垂向上裂隙带及垮落带影响其发育范围在垂向上大于实际范围，但在横向上采空区发育范围与已知采空区发育范围基本吻合。

4 结语

（1）高密度电阻法能较精确的区分高低阻岩性界面，但实际应用中受采空区裂隙带及垮落带引起水文地质情况变化综合影响，其在采空区附近的地质界面反映不明显。

（2）高密度探测浅部岩溶通道是横向纵向均有很好的分辨率，但探测深部采空区异常时中心位置低于实际中心位置，深部充水或泥采空区范围大于实际异常范围，深部未充填或半充填采空区纵向大于实际异常范围、横向小于实际异常范围。

（3）高密度电阻率法在探测正断时浅部断层破碎带反映明显，但在深部断层破碎带界面时分辨率不及浅部。