高分辨地电阻率法在煤田火区空洞勘探中的运用分析

刘振东

摘要：煤田火区空洞勘探是煤田火区环境治理中重要环节。本文针对新疆昌吉硫磺沟煤田火区勘探问题，引入了高分辨地电阻率法，用于解决常规勘探方法难以解决的问题。首先介绍了高分辨地电阻的勘探原理、工程设计以及野外工程布置情况，针对各项资料处理问题予以解释，证实了该方法的可行性与有效性。

Abstract： Cavitation exploration in coal field fire area is an important link in environmental management of coal field fire area. In this paper， the high-resolution georesistivity method， which is used to solve the problems that conventional exploration methods are difficult to solve， is introduced to solve the problem of fire area exploration in the sulfur trench coal field in Changji， Xinjiang. Firstly， the exploration principle， engineering design and field project layout of high-resolution georesistance are introduced， and various data processing problems are explained to verify the feasibility and effectiveness of the method.

关键词：高分辨地电阻率法;煤田火区;空洞勘探;可行性

0  引言

尽管当前我国在煤田火区治理方面取得了一定的成就，然而仍存在一定的局限性，尤其是对于洞体、燃烧中心等孤立体探测还存在一定的难度[1]。通常，孤立性地质往往缺乏规律性，异常反映弱，常规方法如自然电位法、磁法难以对获取下部空洞、燃烧中心等进行有效的探测。此次研究引入了高分辨地电阻率法，其有效解决了煤田火区空洞勘探技术难题，在火区环境地质灾害治理中有着良好的应用前景。

1  煤田火区概况

新疆的硫磺沟是我国重要的煤田火区，其地处乌鲁木齐市中心以西40km，南北12公里、东西10公里的范围内，自1874年有历史记载以来，一直处于自燃状态。由于储煤量巨大，富含矿藏丰富，这场一时之间无法扑灭的大火，成为众多人头疼症结所在，也受到了国家、政府的高度关注[2]。硫磺沟，地处新疆南北疆交汇处，距离乌鲁木齐约40公里。大自然的鬼斧神工造就了如今硫磺沟的悬崖峭壁、丘陵沟壑，长期的风吹雨打、风化剥蚀，又造就了如今的雅丹地貌、石林地貌[3]。硫磺沟的煤田火区面积184万平方米，每年要烧掉176万吨煤，按照可比价格计算，每年要损失1.7亿元。如此巨大的损失，加上煤作为不可再生资源，硫磺沟的这场煤田大火，长期以来受到社会各界广泛关注。地理位置和日常气候条件的不可改变，则成为煤田自燃的主要原因。横亘整个新疆地区的天山，将新疆分割成南疆和北疆两部分。而天山，被划分为地质活动剧烈的地区，于是，经过多次的地质运动，埋在底层中的水平煤层大多变为倾斜煤层。这些暴露在空气中的煤层，与氧接触后，产生氧化作用，慢慢积热开始增温，积累之后，温度达到燃点，煤层慢慢自燃，形成煤田火灾。

2  高分辨地电阻率法

高分辨地电阻率法与以往直流高密度电法在温纳装置方面有着明显的差异性，其采用的是单极-偶极装置密集测点，对孤立异常体有着较高的敏感性，能够实现对地下每一个分析分辨单元的多次覆盖，具有体积小、灵敏度高等优越性，地下地质体形状、位置能够直观形象的展示出来。与此同时该方法还具备极强的抗电磁干扰性能，可以有效压制因地表电性不均匀引起的静态偏移问题，其施工方法如图1所示。在进行观测时，电位电极在测线的一端，此时电流电极为地下供电，可以获得电流电极电位差。当需要测量下一测点时，可以将电位电极移动到相应位置，电流电机为地下供电，获得电位差[6]。上述过程反复直至电极移动到另一端，此时能够获得完整的二维剖面信息。在参数设置方面，一般供电点距为10～20m，最大探测深度为3～5倍，测点点距覆盖2～10m范围。

3  煤田火區空洞勘探工程布置及实施

3.1 勘探工程设计

1999年，国家成立了硫磺沟煤田灭火工程。自此之后的几年里，灭火工程队的数百名灭火队员一直在与大火抗争。在全疆火区普查中调查了硫磺沟煤田具体情况，主要采用了地面磁法、自然电场法实施探测。此次勘探工程对以往考察结果进行总结，借鉴以往研究经验，采用50m左右线距，与磁法、自然电场法测线布设相平行，在此基础上实施高分辨地电阻率法。通常，测线分辨率与点距密切相关，两者呈现出明显的负相关，即点距越小分辨率越大。研究主要从地质任务、工程费用以及工作量等多个方面出发进行综合考虑，最终设置高分辨地电阻率测点点距为5m，其分辨率≤5m。

3.2 工作量完成情况

野外勘探工作共进行了6个月，完成子获取勘探测量任务17个，高分辨率地电阻率完成测线33条。研究所用仪器为WDJD-3多功能数字直流激电仪（成都明萱电子科技有限公司）。由于测区地理条件、地质条件等较差，在采用高分辨地电阻率法时专门处理了供电电机与无穷远极问题。其中无穷远极主要由4～6根电极构成，设置接地电阻为600Ω，在接受电极设置上应注重其接地情况。高分辨地电阻率法能够多次覆盖每一分析分辨单元，因此其在数据量上已经具备统计学意义，可以不用单独再进行检查点布置。需要注意的是施工期间仍要加强对实测数据的监控，当对数据存在疑问时要及时进行复测。对于获取的跨越供电电极，要由记录员、跑极员一一进行核对。对于因地形条件复杂、测线接地环境差等因素引起的电磁干扰问题，可以在资料处理及解释缓解进行适当调整，减少实测数据偏差[3]。

4  资料处理与解释

4.1 资料处理

硫磺沟火区部分地形、地表存在不均匀性，容易受到电磁干扰，针对这一问题，需要通过资料处理确保勘探的准确性。由于高分辨地电阻率法能够实现多次覆盖，其能够将地表不均匀影响予以消除。从该探测方法具体施工方式看，地下每一个分析分辨单元在单极-偶极装置下均由不同供电电极实施供电。针对地面不同测点由多个不同测量电极进行反复测量，能够将电位异常直观的反映出来。当遇到地表电性不均匀的情况，无论采用哪种供电电极，只要保持测量电极不发生位移，接收点都会收到电位异常信号。从这一点可以看出高分辨地电阻率法采用野外作业形式，并利用该特点有效区分火区空洞异常及地表不均匀问题。其在消除地表不均匀性影响时，主要是对固定跳跃点进行统计平均后△V/I值，其实际上是舍弃了某一个测点的实测数值。多次覆盖技术支持下，也可以由其他测点对分析分辨单元信息予以展示。然而面对地表不均匀影响过大的情况，若将过多信息舍弃容易导致有用信息丧失，因此，建议对不均匀性异常予以保留，通过异常解释对地质背景资料予以推断。

4.2 资料解释

以往研究发现高分辨地电阻率法与瞬变场法对于同一地电剖面有着不同的视电阻率，前者视电阻率绝对值往往较大，引起异常差别较大，但两者都能够对地下地点异常基本趋势予以准确的反映，具有一致性。高分辨地电阻率法针对7火区15线视电阻率剖面如图2所示。资料解释需要參照测区地质实际情况。一般情况下，硫磺沟火区煤层整体较厚，各层煤都存在燃烧，由于每层底板、顶板较为破碎，存在严重地面坍塌现象，因此可以发现空洞区多可见冒落现象。对电阻异常的判断除依据电阻率值外，还应对电阻率等值线地形、形态以及地表电性不均匀程度等进行全面评估与考虑，并注意观测点原始数据质量问题。受火区空洞与松散冒落区电性差异不明显的影响，煤层由增温到燃烧期间发生的电阻率变化也难以明确。基于上述现象，可以在异常圈定中将高阻区划为坍陷区、空洞区，低阻划为高温区，其中也包括燃烧区。

4.3 钻孔验证

钻孔验证一是为了解译，尽管已经针对高分辨地电阻率法进行有效性前提性验证，但由于硫磺沟18个火区地形、地质条件复杂多样，存在不同程度干扰现象，在不同施工条件下，地区试验结果也呈现出明显的差异性，其不能够代表整个火区情况，因此需要通过推断获得地质成果。在解释处理时应大量搜集地质资料，将其与电性异常结合考虑，用于判断、衡量的主要依据。钻孔验证能够帮助了解哪些判断是错误的、哪些与地下火区空洞吻合，与此同时还能够有效评估地质成果可信度、野外资料可靠程度等。

4.4 成果分析

通过高分辨地电阻率法获得了新疆硫磺沟火区不同图件，分别为各个火区视电阻率等值线剖面1：1000比例图、地质异常物探异常列表解释，可以发现该地区空塌区面积小、高温区面积大，前者是导致煤层自然的主要因素，应注意避开空塌区及埋深较浅的高温区，保障施工安全。

5  结束语

高分辨地电阻率法在煤田火区空洞勘探中的运用，反映出当前硫磺沟火区煤层自然、塌陷较为严重，应加强治理，在今后煤田获取空洞勘探工作中，要在现有工作基础上有针对性有重点的布置工作量，提高施工安全性。

参考文献：

[1]罗传华，昌彦君，郭宁宁，等.高分辨电阻率法在云南岩溶地区地下水勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2014，11（3）：402-405.

[2]麻昌英，柳建新，郭荣文，等.耦合有限单元法扩边的直流电阻率勘探无单元Galerkin法正演[J].地球物理学报，2018，61（6）：2578-2588.

[3]杨庭伟，张力，卢超波，等.基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究[J].矿产与地质，2018，32（1）：131-137.