基于高密度电阻率测量法的魏家峁露天矿出水边坡的治理

郑开慧，段晓磊，张永贵，石晓东，韩 宇

（北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

地下水源分布探测常采用瞬变电磁法、高密度电法、电阻率法等专业的地球物理勘探方法［1］进行探测。常规疏干井布置方法多为根据出水点位置，推断出水点水源来源流向，进而将疏干井布置于推断出的水流上方[2-4]，但针对像魏家峁露天煤矿这样的黄土高原矿区，水流量相对较小，水流来源呈窝状的地质条件，若根据以往常规方式布置疏干井，井口很难布置于水源窝状处，故难以起到良好的疏干效果，最终导致经济投入大，安全系数未得到提高，出水点水流未得到控制，依然浸泡台阶基底。

高密度电阻率测量法可针对不同物质电阻率不同[5-7]，有效分别出各物质属性，解析出地表以下物质的性质，查阅相关资料显示该方法可分析出岩溶、防空洞、采空区、土质松软层等地表以下电阻率变化情况，进而通过电阻率变化情况分析出所对应地表以下地层情况进行有效探测。

通过高密度电阻率测量法相关工程应用的启发，魏家峁露天煤矿借鉴相关工程探测方法，决定采用高密度电阻率测量法，根据该测量法探测出平盘以下不同层位的电阻率，从而分析出地下含水情况，进而确定地下含水层位及深度，对含水层进行精准布置临时疏干井，然后对含水层进行切实有效疏干，合理有效解决台阶出水问题[8-11]。

1 矿山概况

1.1 工程地质条件

魏家峁露天煤矿属陕、甘、宁、晋、蒙黄土高原的一部分，以黄土梁、峁、沟为主，植被覆盖少，沟谷纵横，易蒸发，全年降水少，且大部分降水量集中于7、8、9 这3 个月，占全年降水量的60%～70%，全年平均降水量408 mm，据统计日最大降水量96.5 mm，年总蒸发度1 824.7～2 204.6 mm，是降水量的5～8倍，因此矿区整体地表水含量较少。

上部黄土平均覆盖厚度约56.46 m，最大覆盖厚度为154.36 m，工作帮整体层位为黄土、红土、岩石、煤层，开采过程中发现局部第四系松散层于基岩接触处存在少量水流渗出。

1.2 存在问题

自2018 年开始，局部黄土台阶由初次出水点沿推进方向连续3 年出现渗水现象，黄土层下部为红土层，为隔水层，开采过程中，含水层中的水无法下渗，沿台阶坡面渗出，长时间浸泡台阶坡底，受土地手续办理进度影响，出水台阶长时间无法向前推进，最终出现台阶片帮，由台阶边缘逐渐向平盘里侧出现沉降，台阶出现片帮后，魏家峁露天煤矿布置了3条监测线，每条监测线布置3 个监测点，同时确定警戒范围，对涉及台阶进行围挡，测量人员每周对沉降裂缝进行测量，并由技术人员进行对比分析，确定裂缝发展趋势，及时制定合理技术措施，根据边坡自动监测系统数据显示，历次最大沉降度约2.5 m。根据地质资料及现场踏勘，该处处于古河床地段，故长期会向外渗水，当年治理完成后，次年再次发生同类情况，由于台阶片落后，下部含水，剥离较困难，生产进度缓慢。

为预防滑坡灾害发生，减少生产障碍，保障生产人员安全，合理控制含水层渗水情况，采用行之有效的处理方法确定含水层含水情况，并针对含水层渗水情况进行专项治理，对保障生产现场安全生产有着重要意义。

根据现场开挖剖面及工程地质勘探结果观察，台阶坡面出水区域赋存厚度不大的泥岩，作为隔水层，由于其接触面长时期受到地下水的浸泡，基底土体强度弱化，基底抗滑力降低，随着剥离推进，坡脚开挖，导致应力释放，边坡在高压应力下发生向临空面的滑动，由于坡脚的蠕动导致前缘抗滑力逐步降低，台阶坡面逐步发生片落，台阶逐渐由边缘向平盘里侧沉降，最终导致边坡稳定性逐渐降低，台阶出现逐级垮落现象。

2 工程实例

魏家峁露天煤矿工作帮黄土台阶局部存在出水情况，为针对该出水情况进行有效疏干，魏家峁露天煤矿决定采用高密度电阻率测量法进行地下水含水情况分析，并根据分析结果布置临时疏干井。

2.1 测线布置

魏家峁露天煤矿地面探测共设计8 条高密度电阻率测量法剖面，每条测线长300 m，每条线分布60个测点，每2 个测点电极间距5 m，每根电极既可作为供电电极，也可作为测量电极。通过程控多路电极转换开关和电测仪实施数据的自动、快速采集。极距的递增以电极间距为单位，每个极距依照固定的装置形式逐点由前向后移动完成数据采集，然后增大极距的数据采集。随着隔离系数的增大，测点数逐渐减少，测点在断面上分布呈倒梯形。

2.2 数据分析

数据处理采用重庆奔腾数控技术研究所配套的高密度二维反演软件RES2DINV。二维电阻率模型应用在RES2DINV 反演程序中，该程序由大量矩形条块组成。条块的排列能够与视电阻率剖面上的数据点松散的连接起来。条块的分布和大小由程序自动生成，大致遵从数据点的分布规律。底层条块的深度与目的深度数据点大致相等，此时电极距最大。通常数据的采集遵照一定的电极排列顺序，相邻电极间距为固定值。

2.3 水源分布

综合分析电阻率断面图和地质资料，根据断面图中电阻率背景值的大小以及梯度值，对地层分界线及岩体的破碎、软弱、含水情况进行判释，根据剖面电性特征对剖面解释。

某平盘共有2 条测线，P1 剖面供电时间为500 ms，P2 剖面为200 ms，P1 剖面电阻率断面如图1。P2 剖面电阻率断面如图2。

图1 P1 剖面电阻率断面图

图2 P2 剖面电阻率断面图

P2 第5 次迭代反演电阻率断面图上视电阻率幅值特征在纵向上可将剖面大致可以分为3 个区域。其中：①第Ⅰ区域在横向185～300 m，视电阻率在50～150 Ω·m 之间，呈现中高电性特征，该层反映的是地表黄沙土的物性特征；②第Ⅱ区域电阻率呈高电阻特征，视电阻率在150～900 Ω·m 之间，推测该层为下部红泥及粗砂基岩隔水地层反应所致；③第Ⅲ区域为整体为蓝色，视电阻率呈低电阻特征在10～40 Ω·m 之间，第Ⅲ区域与第Ⅰ、第Ⅱ区域视电阻率特征高低区分明显，结合实地勘查，推测该区域为含水层。

2.4 疏干治理

通过数据采集，数据整理、处理、分析解释及推断，根据数据结果确定了出水点区域的水源赋存情况。根据分析结果，发现该区域含水情况呈不连续窝状含水，2 个主要含水位置中间存在1 条导水带联通，形成了位置相对较后的含水位置向相对较前的含水位置提供水源。通过以上分析结果，决定将临时疏干井位置布置于窝状含水层中心线处，该方案的确定可使地下水源最大程度汇入临时疏干井内，有效将含水层的水抽出地表，减少含水层中水向台阶坡面渗出［9-10］。方案最终确定布置2 个临时疏干井，分别在2 个平盘上，出水点上方含水层中心线上布置不同深度的抽水输干孔进行抽水疏干，临时疏干孔孔径确定为φ350 mn，临时疏干井内下入φ220 mm 滤管和实管并在井内环空填入滤料，保证地下含水层的水流汇入临时疏干井中。

从临时疏干井中分别各下入1 台抽水泵，通过临时疏干井，对出水点区域的水进行间断抽水，统计数据显示每次抽水时间约8 min，每次抽出水量约200 L，每隔3 h 进行1 次抽水，抽水10 次后，经观察原渗水台阶坡面出水量明显下降，渗水台阶下部集水坑水量明显减少，这为台阶基底强度提供了保障，为煤矿安全生产提供了保障，为合理布置生产，有效提高生产效率均提供了保障。

3 结语

通过对地层不同岩性电阻率不同的性质，划分出各层位岩性，准确判别含水层层位情况及深度，通过分析结果，将临时疏干井布置于恰当合适的位置，对含水层中的水进行有效疏干，进而减少台阶坡面渗水量，保障台阶基底强度，增强台阶稳定性。通过高密度电阻率测量法分析出含水层情况，从而进行合理布置疏干方法，将临时疏干井布置于关键位置，取得较好的疏干效果，具有成本低、效率高、所需疏干周期短的优点。