三维改进并行电法福建小煤矿底板富水区探测

邱占林 曾东富 郭玉森

（1.龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007；3.福建紫金铜业有限公司，福建 龙岩 364204）

1 改进并行电法三维探测技术

1.1 改进并行电法的基本原理

改进并行电法是常规直流电阻率法的一种，是继高密度电阻率法集电剖面与电测深为一体的基础上发展起来的新一代电法勘探技术。该技术是主要基于阵列式、拟震式思想开发的电法技术，具有多装置、多极距的高密度组合功能，同时还具有多次覆盖叠加的快速、同步数据采集优势，具有能够探测钻孔外围一定范围的能力，最大侧向探测距离为电极控制段的长度。由于采用并行电法勘探技术，其数据采集具有同时性和实时性，可得到供电时测线上的各电极点全部电位曲线，使得改进并行电法图像更趋于真实合理，仿真效果更好，从而大大提升了视电阻率的纵、横向时间分辨率。

根据分布式电极观测装置的不同，改进并行电法数据采集方式可分为两种：AM法（单点电源场）和ABM法（双点电源场）[1-4]（图1）。利用改进并行电法仪所采集的原始数据可以实现高密度电阻率法和高分辨地电阻率法物探解译，也可以进行2D或3D电阻率反演成像解释。同时，改进并行电法勘探系统所采集的数据属于全电场空间的电位值，其同步性电位测量，有效避免了因时间差引起的数据干扰问题。

图1 改进并行电法采集方式及电位变化情况

1.2 三维探测的技术原理

三维探测技术是基于改进并行电法的3D反演并进行观测系统改进的一种新勘探技术，其实质在于3D电阻率层析（CT）全空间成像技术。观测系统一般布置于两条巷道中，形成空间展布范围广的3D透视扫描CT系统进行数据采集。根据底板富水区探测的目的，将测线系统分别布置在工作面运输巷和回风巷中，切眼巷道因其距离较短而不布置电极，工作站的布设一般根据探测距离的长短而定。具体布置方法为充分利用工作面两条巷道，如在运输巷中布置供电—测量系统，在回风巷中布设无穷远供电B极。当运用改进并行电法仪进行电位变化情况数据采集时，运输巷中各供电电极A与回风巷中对应无穷远极B形成观测地电场，电极A（1#～64#）逐点供电依次扫描，形成类似于无线电波透视扫描的扇形观测区，其他电极通过程控实现电位值的实时、同步测量，实现双巷空间的全电场3D透视效果。当采集结束时，将系统和无穷远极在两条巷道中对调，再次实施采样，可获取海量地电场参数，达到对底板及以下区域的多次覆盖测量，有利于异常值的检验和剔除，大大提高了3D电法的探测精度。若探测距离较长时，每条巷道可布置多工作站测线系统，其编号规定为巷道号—工作站号，即测线（i-j）。现场布置时，前工作站最后一个电极与后工作站第一个电极位置重合，并依次移动另一巷道中的无穷远B（i-j）极（图2）。

图2 改进并行电法三维探测现场布置

数据反演处理时，将其电极坐标统一规定在井下坐标系统内，并对各站地电数据进行有效拼接，联合进行双巷全空间3D全空间视电阻率CT成像反演，其3D模型反演及求解修改量Δm如下式所示：

式中：

G-Jacobi雅克比矩阵；

λ-阻尼因子；

Δd-观测参数值d与正演理论值d0的残差向量；

Δm-3D初始模型m的修正向量；

C-3D模型光滑矩阵。

3D反演一般流程为：首先将其模型剖分成3D网格，其宽度一般为0.5～1个电极距，然后求取所划分网格单元内用于反演的电导率值参数。3D反演的观测数据是全空间电场背景下所测量的单极-单极电位值参数或单极-偶极电位差值参数。且因其变化范围较大，通常选取对数来表示反演数据及3D模型参数，用于改善反演的可靠性和稳定性。将3D地电数据体进行水平切面及垂直剖面综合提取，可得到采煤工作面内及底板下不同深度的视电阻率值分异情况，形成直观的视电阻率三维探测成果图。结合已有的基础地质及物探资料，可综合分析该工作面内及底板下不同标高范围内的富水区（性）情况，从而实现双巷改进并行电法3D全空间探测。

1.3 三维探测的物性基础

由于待测区域内地层层序清楚，层位稳定，其横向、纵向上均表现出一定的电性变化规律。运用改进并行电法可3D探测采煤工作面横向上的低阻含水、导水构造及富水区（性）分布规律，同时也可探测纵向上不同深度的地质构造、富水及其导通问题。当采煤工作面内及底板下岩层中存在断层等构造变形时，其电阻率值通常会发生相应变化；当存在富水区时，该区域与周围岩层存在显著的电性结构差异，一般呈现出低电阻率值。两者均将打破岩层电性结构在横向与纵向上的原有规律。这种变化特征的存在，为以电性差异为应用地球物理基础的改进并行电法3D探测的实施提供了良好的物探前提[1]。

2 三维探测实例分析

2.1 研究区概述

福建小井尖煤矿处在闽西南聚煤区中部含煤条带，二叠系中统童子岩组（P2t）是主要煤系地层[5]。该矿主采38、39号煤层，28、29号煤层局部可采，年产量9万t/a，属于福建省小煤矿规模。首采面为+620-38号采煤工作面，水文地质条件属中等类型，主要充水水源为38号煤层顶板砂岩裂隙水及栖霞组（P2q）底板灰岩水。38煤层底板至栖霞灰岩间距正常情况下为35.4～55.1m，平均间距为38.7m。其顶板砂岩裂隙水，是采掘巷道直接充水水源，主要通过断层、裂隙等通道以淋水或滴水的方式向巷道排泄。该工作面发育F2逆断层，导水性弱，一般不会给正常的生产带来水害威胁，而F4正断层（产状：258°∠43°，垂直断距H=0～40m），局部与底板砂岩裂隙或栖霞灰岩溶隙导通，导水性较强，是需要防范的区域。

2.2 现场布置及数据采集

为了探测该煤矿+620-38号采煤工作面的底板富水区情况，在矿方地质部门的配合下，采用改进并行电法探测技术对工作面两侧巷道底板及以下范围内的岩层视电阻率分布特征进行3D全空间探测。井下数据采集坐标系选取以运输巷F2断层位置为平面直角坐标原点（0，0），沿该巷指向F4断层点（437，0）方向为X轴正向，则垂直回风巷方向为Y轴正向。现场直接在双巷底板依次布置电极和电法测线，运输巷和回风巷各布置4站，其中第一站、第二站、第七站、第八站为运输巷探测工作站；第三站、第四站、第五站、第六站为回风巷探测工作站（图2）。每巷均布设64个电极，极距为5m，切眼巷道不布设，每站测线长度为315m。数据采集采用NPEI-DHZI-1改进并行电法勘探系统，现场实施的采集方式为AM法，每站轮流选用0.5s和2.0s恒流供电方波采集数据一次，并进行了全部复测，复测结果基本相同，从而保证了电阻率数据采集的可靠性。

2.3 数据处理

（1）选取全空间数据类型，深度转换系数为0.5，二次场延迟时间范围为0～100ms等控制性参数，对系统所存储的原始数据采取AM装置形式进行不同功能模块的预处理。

（2）本次处理的电极坐标采用（X，Y，Z）形式，规定F2断层点为坐标原点，切眼指向运输巷为X正方向，沿着切眼巷道为Y正方向，Z坐标值取0。

（3）在预处理参数输入后进行整周期各电极的电流-电压转换，通常采用其均值或方差值，本次处理采取均值替代二次场参数。

（4）由此获得稳定电流值I与电位值V后进行畸变异常值剔除，结合背景值分析，明显不符合规律的畸变值一般是由供电—测量电极藕合条件的改变或井下金属器具、游散电场等干扰所引起。

（5）利用传统直流电法视电阻率计算公式可进行视电阻率值模块计算，但为了进一步获得真实、有效、可靠的电阻率值，则需要对预先处理的视电阻率进行二次解编、插值，多余地电信息校正与光滑约束处理，全空间电场3D反演，进而得到逼近真电阻率值的反演模型结果。

（6）从模型结果中提取3D地电数据体，进行视电阻率水平切面和垂直剖面成图，并选surfer和illustrator软件进行辅助成图[5]。

2.4 探测结果分析

对工作面两侧双巷采集的数据采用全空间三维电阻率反演CT成像技术，利用全空间3D层状模型，可有效反映工作面底板下不同深度的岩层电性分布及变化规律，可直观反映探测区域的相对低阻区总体连通情况，主要通过形成工作面底板不同深度的视电阻率异常区水平切片的空间总体分布来表示。结合工程揭露的煤岩层、地质构造条件以及巷道底板积水情况，对该工作面两侧巷道之间底板富水区分布及连通性进行综合分析。但工作面底板下不同层位的相对低阻异常区的电阻率阈值因不同岩性地层而异，因而只能通过同一层位中电阻率值的相对大小来划分，电阻率值明显减小的区域则为相对富水区。据此可知，该工作面探测区域的底板下90m范围内存在6个低阻异常区域，其电阻率值均在20Ω·m以下，分别定义为DZ1～DZ6改进并行电法低阻异常区（图3），分述如下：

（1）DZ1低阻区：靠近回风巷，位于X=1040～1180m，Y=120～168m之间，大小形态比较稳定，发育较深，沿工作面底板向下延伸超过55m，进入灰岩地层，可能与栖霞灰岩水有较强的水力联系，为重点防范区域之一。

（2）DZ2低阻区：靠近回风巷，位于X=740～810m，Y=140～180m之间，上小下大发育，电阻率值较稳定，朝工作面底板下延伸达40m，在栖霞灰岩顶界面处消失，未进入灰岩地层。在不考虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。

（3）DZ3低阻区：靠近回风巷，位于X=365～415m，Y=150～180m之间，透镜状发育，电阻率值变化不大，底板负法向延伸深度为40m。与DZ2相似，在不考虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。

（4）DZ4低阻区：靠近运输巷，位于X=620～708m，Y=0～36m之间，大小形态比较稳定，电阻率值呈现由上而下升高的趋势，朝底板负法向延伸不超过40m，未进入栖霞灰岩地层。在不考虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。但在Z=-10～ -20m处，低阻值范围沿X方向展布变大，与F4断层局部导水有关，需要引起注意。

（5）DZ5低阻区：靠近运输巷，位于X=440～600m，Y=0～40m之间，横向展布范围较大，低阻异常区向下逐渐变小甚至尖灭，朝工作面底板下方延伸也不超过40m。在不考虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。但与DZ4类似，受F4断层影响，在中部出现低阻区范围变大的情况，需要注意防范。

（6）DZ6低阻区：靠近运输巷，位于X=305～365m，Y=0～60m之间，形态略微有变化，电阻率值由小变大再变小，沿底板下方延伸深度不超过40m。在不考虑受岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有一定的水力联系。

2.5 探查验证

根据综合分析结果，矿方有针对性地实施探放水钻孔。其中低阻异常区DZ1处的钻孔ZK1，孔深56.7m，其出水量随着钻进深度的增加而增大，由 10.43m3/h（Z=-25m） 上 升 至 23.67m3/h（Z=-55m），据此说明了该异常区富水性强，受栖霞灰岩水的影响大；ZK2孔深45m，施工至-30m时，钻孔出水量陡然增大到19.72m3/h，且钻孔岩心出现擦痕等断层证据，由此表明DZ4、DZ5受控于导水断层F4，其富水性强。后续施工的辅助性验证钻孔ZK3、ZK4，分别对应于DZ4、DZ5，进一步证明DZ4、DZ5是F4正断层发育且导水所致。总体上，与探测分析结果较为吻合。

图3 工作面底板不同深度三维探测异常区总体分布情况

3 结论

（1）改进并行电法三维探测技术是通过观测系统的改进及3D电阻率反演CT成像而建立的一种全空间3D观测技术，对矿井底板法向深度范围内相对低阻异常体具有良好的响应，为工作面水害防治提供适用性强的物探手段。

（2）探测应用实例证明该三维探测技术能有效获取工作面底板电性变化深度剖面，能较直观地反映相对低阻异常区的总体连通情况，实现富水区的3D全空间圈定，与工程钻探验证结果较为一致，对疏水减压探放水钻孔与注浆加固施工起到较好的指导作用。

（3）福建小煤矿地质条件复杂，低电阻率值的高变质无烟煤对低阻含水异常体具有一定的干扰，需要联合多种物探技术，补充对比验证，方可达到较为理想的地质探测效果。电阻率值与岩层富水性之间的定量关系研究及3D反演过程中冗余构造信息的有效利用，均需要进一步探讨。