强电磁影响区浅埋多层采空积水区探测技术★

李雄伟 马炳镇

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

陕北神木矿区煤田主要为侏罗系含煤地层，其通常具有煤层沉积稳定，埋深较浅、产状平缓等特征。由于早期煤矿开采缺乏科学规划和有效管理，加之生产技术装备水平低和生产工艺落后，多采用巷采或房柱式开采，形成的采空区无序、不规则，且破坏面积较大，因粗放、无序的采煤方式历时较长，大多数煤矿均形成了多层采空区，其在长期大气降水及上层含水层水补给下，汇集形成采空积水区，对下层煤的安全开采构成较大威胁。因此，需对埋藏浅、危害大、多层无序的积水采空区进行探测，考虑到地表有多条高压电力线路分布，电磁环境复杂，需选择合适的探测方法，以实现对浅埋多层采空积水区的有效定位探测。该地区地表为风积沙地貌，地形大多较为平坦。恒流源高密度电阻法，受强电磁干扰影响小，且对埋藏较浅的目标体有较好的探测效果。该方法外业施工中要对埋设的电极进行重点处理，使电极与大地接触良好，且各电极间接地电阻值均匀，以保证获取的数据质量；再通过反演实现分层定位，对多层目标体探测较为有效。

1 隐蔽水害产生过程

浅埋含煤地层多层采空积水，其层状地质模型如图1所示，依据钻孔揭露，由浅至深地层分别为第四系砂层、新近系红土层、基岩风化层、含煤地层。浅部煤层采用巷采或房柱式进行采掘，采动后长期接受大气降水、上部地层水的下渗补给，形成不同规模的采空积水区，因采煤方式为巷采或房柱式，上、下层采空顶板垮落有限，通常不会连通，相互独立。近年来，由于煤炭资源的整合，采煤方式升级为机械化综采，下伏煤层回采时，上覆基岩形成冒落裂缝带，可导通上部采空积水区，当上覆采空积水量较大时，便形成严重的突水事故。

2 探测技术

高密度电阻率法是对常规电阻率法在技术上的一次升级，其原理完全一致，均通过人工建立稳定电场，在地面观测场的变化特征，从而实现地质成果解译。它采用了多电极、高密度一次布设，实现了跑极与数据采集的自动化。其主要优点为：第一，电极一次布设完成，测量过程中自动跑极，避免了因电极移动引起的干扰和误差，保障了数据质量；第二，提升了工作效率，使施工成本降低。

施工技术保障措施：

1)埋设电极时挖坑最好至潮湿砂层，打入电极，浇筑饱和盐水，再回填沙土防止风干，要求接地电阻不大于3 kΩ，以保障电极与大地接触良好的目的；

2)测线尽可能选择在地形相对平坦区，若有高压线分布，应避开高压线铁塔基座，减少接地电影响，以保证数据质量；

3)测量定点时精度要高，以保证电极等间距布设；

4)无穷远直线距离至少大于最大极距的5倍；

5)最大跑极极距应保证接收电位差大于1 mV。

3 数据处理方法

高密度电阻率法数据处理与其他物探方法相类似。首先要对获取的原始数据进行筛选，剔除不合格数据；再整理成处理软件所需的格式，对受干扰的数据进行校正，滤除或较大程度上压制噪声，恢复信号应有的规律；最后通过反演计算工作，再结合地质、钻探及采掘等资料进行综合解释。

3.1 干扰校正处理

对于受到干扰的数据要进行校正，避免因干扰的存在而使后期的解释中出现假异常现象，使其回归应有的变化规律。本文根据已知地质条件，采用多点圆滑、距离加权滤波的方法对受干扰数据进行了处理(如图2所示)，处理后的数据变化较为均匀，基本符合地层电性的分布规律，为后期的资料分析解释奠定了基础。

3.2 反演与层位标定

数据反演采用带地形的二维反演迭代进行，它基于有限元法和最小二乘法。首先根据原始数据构建初始的二维地电模型，利用有限元法计算模型响应并与原始数据比较，相差较大时则根据一定的规则修改模型并重新计算模型响应，通过一步步迭代使模型的响应逼近原始数据，当两者方差很小时即可结束反演。根据由地质和钻孔资料确定的地质模型，调整反演技术参数，确定目标地层深度，完成视电阻率—深度断面图反演，实现对探测目标层位的标定。

4 应用实例

4.1 概况及地球物理特征

探测区地表大部分区域为第四系风积砂层覆盖，地形较为平坦。区内有多条高压输电线沿勘探区走向分布，电磁环境复杂。已采动的4-2煤层及5-2煤层均为侏罗系延安组含煤地层，4-2煤层位于延安组上段，埋深变化约在40 m～60 m之间，平均厚度为1.91 m；5-2煤层位于延安组中段，埋深约80 m～100 m，平均厚度为2.49 m。采煤方式为巷采或房柱式，现已积水。设计采用高密度电阻率法完成上、下两层采空积水区勘查任务。依据勘探区内的钻孔测井资料可知，勘探区内涉及的地层由浅到深呈“高阻—低阻—高阻”的变化特征。原生地层若不受采动影响时，电性均匀；当目标煤层被采动，且积水时，电阻率值会降低，与围岩介质存有明显的电性差异，打破了横向均匀性，为高密度电阻率法勘探提供了前提。

4.2 探测效果

野外施工严格按照相应技术保障措施进行数据采集时，对采集的数据进行去噪预处理，处理后的结果如图3a)所示，整体特征为：浅部视电阻率值较高，中深部视电阻率值较低，深部逐渐增高，即整体呈现“高阻—低阻—高阻”的变化趋势。但采空积水异常反应不明显，且无法有效分辨上、下层积水异常。采用反演计算，结合已获取的煤层标高数据，对目标层位进行层位标定，结果如图3b)所示。对比反演前后断面可见，浅部高阻层厚度变薄(其为地表风积沙层的电性反映)；高阻沙层下的低阻层略有抬升，且呈较薄层状分布(薄低阻层为风化基岩富水层)；再向下至含煤地层，上、下目标层位置均有对应的扭曲、圈闭异常，且异常相互独立、空间位置明显。低阻异常与煤层对应的上、下层采空区积水关系密切，经钻探证实低阻异常为采空积水区。

5 结语

复杂的电磁噪声环境下要实现对浅埋煤层多层采空积水区的有效探测，传导类高密度电阻率法不失为一种可靠的勘探技术手段。首先应做好在设计、施工阶段采取有针对性的技术措施，以保障原始数据质量；其次在数据处理中采用去噪、圆滑和反演等关键技术，可实现对多个目标层有效分辨，获得理想的探测效果。