高密度电法对煤田裂缝勘探的试验研究＊

本强民，刘 阳，齐兴华，魏宏刚

（1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.长安大学，陕西 西安 710054；3.国投哈密能源开发有限责任公司，新疆 哈密 839000）

1 概述

煤矿水患对煤矿的安全开采造成了极大的困扰，并且随着井内工作区的掘进深度的逐步递增，水文地质条件也愈加繁杂，含水层的水头压力也随之增大，导致煤层的顶底板突发水患事故的可能性也愈加增大。而导致这一事故发生的因素，主要为地质因素和开采因素，包括地下含水层的分布、随深度增加而变大的水压力和煤层顶底板遭受到破坏，只有当三者同时存在并达到某种特殊结合时，才能发生突水事故[2-4]。前两个因素都是不可抗拒的，故重点在于对煤层顶底板的破坏因素研究。煤层的顶底板发生水患事故的原因主要是煤层顶底板的岩层遭到破坏，致使隔水层的厚度削减变薄从而产生裂隙，因此需要研究裂隙形成前后的地下水分布情况以及外界对煤层顶底板岩层存在压力的前提下，外部压力下对地下水分布的影响，从而得到煤层顶底板的破坏规律，这一点需要通过视电阻率的分布特征来体现。

2 研究思路

本文通过设计的模拟试验来进行研究，模拟在均匀介质的砂中，在有无裂隙的情况下以及外界施以不同压力的情况下来进行探究视电阻率的分布特征，总结出煤层底板的破坏特征，具体包含两个方案如下：

1）模拟裂隙试验：先测定背景场数据，而后在有裂隙时，选取三组不同的电极距来进行试验并观察记录，通过结果来说明视电阻率在裂隙与极距二者共同影响下的规律。

2）模拟压力试验：先是确定电极距离，而后累计放置重物在试验槽上面，观测在外界不同压力的变化下，视电阻率的排布特征。

本次模拟选取型号为DUK-2A 的高密度电法测量系统，其中包括多路电极转换器以及多功能直流电法仪。并且试验将采用温纳装置，即各相邻电极AM、MN、NB 保持相同距离，该装置具有抗干扰性强的优点[5]。通过两个试验总结出在两种情况下的视电阻率的规律特征，而后根据实际煤矿已完成的项目资料为参考，研究此种方法在实际工作中的应用，并通过试验掌握反演分析的过程和资料的解释方法。

3 模拟试验

3.1 模拟试验方案

3.1.1 模拟裂隙试验（如图1 所示）

图1 试验仪器连接图

（1）将事先备齐好的各向同性介质砂子均匀浸湿，铺入槽子中，并充分压实铺平。

（2）将仪器的电缆口与铜电极连接起来。

（3）初次电极布设先按照5cm 的极距均匀的插进试验砂槽中。

（4）将仪器连接到位，而后在系统主机上进行参数的设置，且按照提示进行系统操作。

（5）操作完成后仪器便开始自动运行，进行电极之间转换与测量工作，为了数据的精确度，尽量减小误差，每次操作应最少重复观测三次并记录断面号。（此次数据作为参考，方便与其他情况的数据进行对比分析）。

（6）随后将硬纸板垂直插入试验槽中来模拟裂隙，需记录下裂隙的所在位置，从右侧往左侧方向，依次记录三个裂隙位置，距离右侧分别为13cm、26cm、48cm。

（7）采用三种不同的电极距离，分别是5cm、7cm、10cm，需注意不同的极距相对应不同的参数数值（见表1）。分别选取三个不同的极距，依次进行操作，每次还是需要重复操作并观测三次，提高试验精确度并减小误差。

表1 仪器参数设置

3.1.2 模拟均匀介质砂中压力与视电阻率的关系试验（如图2 所示）

图2 试验二仪器连接图

（1）与第一个试验条件相同，电极距选择5cm，并连接仪器。

（2）在试验槽上方，将事先准备好的木板盖入并确保水平状态。

（3）重物依次累加，每放置一次即相同压力下，便进行观测两次并记录数据（参数见表2）。

表2 重量累计表

3.2 模拟试验数据资料反演解释

3.2.1 背景场分析

本次试验的背景场选取的是在试验砂槽中没有插入硬纸板来模拟裂隙以及没有外部对试验砂槽施加压力的状态下，试验砂槽内部的视电阻率的分布特征。实际操作如下：

（1）因为是基于与其他情况作为参考对比的角度，所以选用了最小的电极距5cm，可以更加细致的反映背景场的特征。

（2）将事先均匀浸透的介质砂子铺入试验槽中，并将仪器各部分连接好。

（3）将装置的类别选择为温纳装置并设置好参数。

（4）仪器连接无误后便按下测量键，得出在试验槽中没有插入硬纸板以及没有外部对试验砂槽施加压力的状态下的视电阻率。

经过Surfer 软件对所测得数据进行反演工作得出如图3 所示，可以分析得出，视电阻率的整体分布较为稳定，其中上部的起伏不平是因为人工压实操作时砂子的疏密程度不一导致；而下部呈现出的起伏状态是由于弄湿砂子时，干湿状况不一，以至于部分砂子的孔隙较大，含水量分布不均，以及筛选砂子时不够细致，但整体分布水平较为均匀，所以以此作为背景场，来对模拟试验的解译分析提供帮助。

图3 5cm 电极距surfer 图（正常）

3.2.2 模拟裂隙试验分析

图4 依次分别对应电极距离为5cm、7cm、10cm，且都是在试验槽中插入了硬纸板来模拟裂隙，且正常大气压之下所测得的。

图4 三种电极距的surfer 图（裂隙）

其中图3 经过背景场分析，由于不存在模拟裂隙，视电阻率整体上基本呈现较为稳定状态，但是砂槽分布不均，水分分布不均，导致视电阻率有所不平，而下部的数值明显增大，主要是因为砂子浸湿不匀以及筛选砂子时不够细致。

图4 依次都是在插入硬纸板模拟裂隙的情况下，且都在正常大气压之下，只是选用的电极距离不同，而这三种情况下的反演图都可以反映出存在模拟裂隙，随着电极距离的增大，由硬纸板模拟的裂隙所造成的高阻区域也不断向两侧扩张，即图中的黄色部分。当电极距离为10cm 时，中部的高阻区域和左侧的高阻区域已经连在了一起，相较于选用5cm 的电极距离并插入硬纸板来模拟裂隙的情况下的反演图而言，后两幅已经不能清晰准确的显示出模拟裂隙的位置。

通过模拟裂隙试验的分析得出，当电极距离选择5cm 时，可以明显看出由于插入硬纸板模拟裂隙后造成的高阻区域和低阻区域的分布状况。再结合选用电极距离为5cm 时的图3，无模拟裂隙且正常大气压下的图（即背景场），便可以大致的来定位出硬纸板模拟的裂隙的位置。

3.2.3 模拟均匀介质砂中压力与视电阻率的关系试验分析

在试验砂槽中按照5cm 电极距离进行排布，而后连接仪器，将事先准备好的木板盖入试验砂槽上部。

将事先分成三份的重物先加入第一份重物放在固定位置，放置稳定后停留两到三分钟，目的是等待试验槽中的砂子下沉至稳定状态，如法炮制，依次将剩余两份重物在固定位置累加。每加一次重物后，等待到达稳定状态后便进行重复观测两次并记录重物的重量。

操作好后，将所测得的数据传输并进行处理后，运用Surfer 软件来进行数据反演。如图5 所示，其中横轴坐标上的数字表示电极距离，纵轴坐标表示深度。

图5 三次压力下的反演图

从图5 的三幅数据反演图上依次单独来看，上半部的低值颜色面积都大于下半部分，其中下部有几块的颜色明显加深，从对比条上的颜色可以分析得出，视电阻率的数值较大，主要是浸湿砂子不均匀、上部砂子对下部的压力、外界对试验砂槽的施压不断增大等因素造成的；而图上部即对应试验砂槽表层位置起伏不平，主要是因为表层压实情况不一受力不均匀导致的。

将三幅反演图之间相互对比，不难看出随着外部对试验砂槽的施压不断增大，整体的视电阻率数值逐渐减小。

3.3 模拟试验结论

本次模拟试验是关于在裂隙存在时以及在均匀介质砂中累计压力变化时，探讨二者与视电阻率的关系的试验。研究结果：

1）模拟裂隙试验：在裂隙存在与否两种情况下，通过对数据进行反演后的图来进行比较分析，当选用最小的5cm 电极距离时，明显可以看出插入硬纸板模拟裂隙后造成的高阻区域和低阻区域的分布状况，再结合背景场，便可以大致的来定位出硬纸板模拟的裂隙的位置，但是需要注意的是选用较小的电极距离时，得出的分析结果虽然详细，但易受外界的干扰，所以在矿井工作区内来完成探测工作时，要考虑到实际因素，选用适宜的电极距离，不能一味地选较小电极距离，在进行反演后既要突显出阻值异常区域，又要尽可能地减小干扰。

2）均匀介质砂中模拟压力与视电阻率的关系试验：通过外部的逐次施加压力，并且达到稳定状态后，只要变更一次累计压力数值便要进行两次重复测量并记录，并将数据进行传输、处理、反演，最终得到在外界对试验砂槽不断累加施压下的视电阻率的数据反演图，经过分析得出在一定范围的压力下，视电阻率的数值随着压力的增大而减小，主要是由于试验砂槽中的砂被压实压密后，砂砾间的孔隙度变小，水分子汇集所致。

试验所模拟的是工作区煤层在开采前后，原先的应力平衡被破坏，导致受力不均，一直到应力平衡恢复的这一过程之中，底板的岩层遭到破坏后产生的裂隙并伴有矿山压力后的变化状态。所以本次试验虽然是通过对煤层底板的破坏规律的研究，但日后便可以为解决煤层顶底板的涌水问题都可以提供可靠的分析解释的途径以及提供切实可行的依据。

4 结论

文章通过在实验室运用电法勘探方法中的高密度电法进行试验，并选取模拟试验的形式总结出煤层顶底板的破坏规律，当井田内煤层开采掘进时，致使原有的应力平衡状态被打破，在这种平衡的恢复过程中，便会造成煤层顶底板遭受破坏，从而产生存在裂隙以及在不断掘进过程中周期来压现象，通过模拟试验数据的反演图可以看出，这些情况会造成视电阻率的分布有明显的阻值的异常变化，譬如存在的裂隙带或溶洞等孔隙被水所充填的时候会使得视电阻率数值较低，以及当煤层顶底板的某一部分岩层视电阻率较低时，可以表明该部分的压力大且较为集中，反之则说明压力小且较为分散。