高密度电阻率法在煤矿采空区中的应用：以鑫源煤矿为例∗

吴胜辉，亚夏尔·亚力坤†，依力哈木江·吐尼亚孜，侯丹凤

(1. 新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830017；2. 新疆大学中亚造山带大陆动力学与成矿预测实验室，新疆乌鲁木齐 830017；3. 新疆维吾尔自治区地质勘查开发局第九地质大队，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着我国东部矿区资源产量逐渐减少，新疆因各类矿产丰富、储量规模大，成为中国重要的能源替代和战略资源储备区．迄今，已发现152种矿物，占中国已发现矿物总数的87.86%，其中已知储量资源的98种，占中国总数的60.49%，包括34种金属矿物、57种非金属矿物和7种能源矿物[1]．哈密三塘湖区域由于其丰富的煤炭资源量、较低的有害元素组成和良好的煤质等优势，近年来颇受国内外学者的关注．作为中国最大的煤田综合勘查区之一，自2009年全面生产以来，三塘湖煤矿在煤炭勘探方面取得重大突破．截至2012年，勘探进尺达600 km，发现煤层30层，单层最大厚度为47.25 m，1 000 m和2 000 m浅层资源分别为5 514 435.63万吨和1 200亿吨[2]．为我国“疆煤东运”战略的实施提供了良好的资源保障[3]．

煤矿资源开采造成的地面塌陷、水资源受损及生态破坏等，对矿山地质工程评价和地质环境治理的威胁是煤炭资源开发中亟需解决的问题，采空区范围和形态的确定及其治理问题一直是制约行业发展的重难点．目前，矿区采空区的研究主要基于电法、电磁法、地震波法和微重力勘探法等地球物理探测方法．田文法等[4]对采空区探测方法、稳定性评价、治理及质量监控等技术的国内外研究进展作了详细调研，并提出了进一步的研究方向；黄建权等[5]对采空区探测的地球物理方法进行了分类和介绍；王超凡[6]引入地震CT对某金属隐伏采空区进行探测，揭示了采空区和破碎带，并被后续研究证实准确；王俊茹等[7]介绍了应用浅层地震方法探测采空区的野外工作、资料处理、解释方法技术；张开元[8]采用瞬变电磁法探测煤矿采空区：该方法能快速获得地物信息，准确反应中、深部地层的电性结果，利用地质雷达探测地表浅部查找不良的地质体，具有高分辨率和高探测精度等优势；程久龙等[9]总结了在地表浅部查找不良地质体的方法：地质雷达具有探测精度高及分辨率高的优势．其中高密度电阻率法由Johansson在20世纪70年代末提出，是目前应用较为广泛的一种阵列型电法勘探技术[10]．由于其低成本、高效率、自动化程度高、信息量大以及异常现象直观等优点，在工程物探、水文地质勘探、考古等领域被广泛应用[11-13]．

本文针对鑫源煤矿进行工程地质勘查并开展区域高密度电阻率法测量工作．根据区内目标体尺寸较小、埋深较浅等情况，完美契合了高密度电阻率法有效探测深度在0∼100 m范围内、符合对称四级装置测量时需要在探测范围两侧有一定延伸的空间特点[14]．通过分析测得的反演断面图上电性差异，判别采空区范围．结合地表实际情况，辅以钻探验证的综合勘探手段，从而获取更为丰富的勘探成果．采用此方法探测三塘湖鑫源煤矿采空区的分布，为地质灾害危险性评估、环境生态治理提供依据．

1 区域地质概况

1.1 区域位置

研究区位于中国新疆巴里坤哈萨克自治县三塘湖西北约10 km，三塘湖盆地中部南缘，巴里坤县以南110 km．最高海拔902.17 m，最低835.44 m，相对高差66.73 m，坡降一般为8%∼13%左右，地形相对平坦，属戈壁准平原地貌．地形一般为东南高、西北低的缓坡，地势高差不大，无地表输送流和地下水露头分布（图1），易于进行地球物理勘探．矿山中心的地理坐标为东经93˚13′30′′、北纬44˚20′30′′．该地区年降水量仅35 mm，年平均蒸发量是降水量的112倍，且区内少积雪，年冻土的最大深度为1.5 m．年温差和日温差大，属大陆性寒温带干旱荒漠气候．

图1 矿区现状

1.2 地质特征

勘察区域地处准噶尔盆地东部南缘、东天山褶皱带北部，地层区划属北疆-兴安地层大区，北疆地层区，北准噶尔-北天山地层分区．最下部基底地层为石炭系和二叠系，周边山系由古生界地层所构成．

区域一带出露地层有：下石炭统南明水组（C1n），为一套从海相-陆相变迁的正常碎屑岩加火山碎屑岩沉积构造；下二叠统卡拉岗组（P1k），为一套特厚的陆相中酸性火山岩、火山喷发岩，按喷发旋回可划分成4个亚组；上二叠统乌拉泊组（P2w），为一套陆相正常碎屑岩为主的沉积，主要包括灰绿色、灰紫色砂岩、粗砂岩、砾岩夹凝灰岩高炭泥岩等，与下伏卡拉岗组呈整合接触；井井子沟组（P2j），为一套海陆交互相的黄绿色凝灰岩、细砂岩、砂砾岩夹灰岩透镜体；芦草沟组（P2l），为河湖相沉积的黄绿色、灰白、灰绿色泥质粉砂岩、细砂岩、酸性凝灰岩夹高炭质页岩、油页岩、泥灰岩及砂质白云岩，含鱼类和植物化石（区内出露）；中侏罗统西山窑组（J2x），是本次施工主要地层，岩性由灰色、浅灰绿色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、砾岩及煤层组成[15]，该地层为区内主要含煤地层（共3层），M2煤层是全区可采的中厚煤层，最下部一套灰黑色泥岩与下伏的芦草沟组为断层接触（中部出露）；头屯河组（J2t），为紫红色、灰绿色、桔黄色等杂色，内陆湖相沉积，岩性有泥岩、泥钙质粉砂岩、砂岩、砾岩等；新近系中新统昌吉河群下亚群（N1cha），为氧化条件下的河、湖相沉积，主要为砖红色、土红色、紫红色泥岩、泥质砂岩、砾岩夹石膏薄层，与下伏头屯河组呈断层接触（北部出露）；第四系上更新统洪积层（Q3pl），主要为干旱条件下的洪积扇沉积，上部为砂砾石层，下部为中细砂层；全新统洪积层（Q4pl）由暂时性洪水和漫流形成的砂砾石层和亚砂土、细沙组成，少量分布于工区北部．如图2所示．

图2 区域地质图（据文献[16]修改）

构造方面，工作区位于准噶尔-天山褶皱系，二级构造单元属于准噶尔优地槽褶皱带，大地构造分区属三塘湖-淖毛湖山间坳陷，包含3个Ⅳ级构造单元．三塘湖盆地的基底为古生代地层．它是华力西期末古生代地层形成的大型复向斜基础上，于二叠纪以后逐渐形成的．三塘湖-淖毛湖山间坳陷平行展布着两个区域推覆构造，形成的东北冲断隆起带、中央坳陷带和西南逆冲推覆带控制了现今区域构造格局．其中：东北冲断隆起带位于盆地东北部，呈北东向延伸；中央坳陷带加峙于南北两个逆冲推覆体之间，由北西向转近东西向延伸，形成雁状排列凹凸相间的9个Ⅴ级构造单元．表现为以侏罗系-新近系为主的中新生代地层形成一系列隐伏线状、短轴状、箱状宽缓褶皱，局部穹窿．勘查区位于Ⅴ级构造单元的联结部，由于长期受北东-南西向挤压作用影响，形成大量的北西-南东向逆断层与正断层，及北东、北西向平推断层．地层整体呈北北东倾单斜构造，倾角沿走向（由南东至北西）变化，具有扭曲的趋势，角度在38˚∼86˚之间；沿倾向（由浅至深）倾角渐小．区域构造程度属于中等复杂类型[17]．

1.3 物性特征

开采完成后，煤系地层荷载程度较高会形成一定范围的采空区．由于采空区岩体原始应力平衡发生改变，上方岩层受重力作用，底板及围岩受挤压、拉伸作用，当超过一定水平时，就会破坏岩石的完整性和连续性．因此，岩层破裂、塌陷、崩落，出现大量空洞或裂缝．在这些区域，电阻率值也会发生相应的变化，导致原有的电阻率层状态被破坏，呈现不连续、无序的现象[18]．在高密度勘探工作中，由于空腔对电流的排斥作用，岩层与采空区、裂隙松动带存在较大的电性差异．一般情况下，松散、裂隙、塌陷、采空区表现为高阻力，而采空区在充注水或其它含水充填物时，容易形成低阻力异常．

对于三塘湖煤矿采空区总长8.268 km的EW向煤线“露头煤”进行地质环境综合治理，该工程沿煤层走向，自东向西共分为8个连续的大致等距的治理区，本文主要研究一号、二号、三号、四号治理区域．据前期收集的地质资料，该区域煤层倾角由南东至北西依次增大，范围在36˚∼65˚之间．地质灾害以深部井工开采形成采空区而造成的浅部塌陷、沉降灾害为主，而在煤系地层较浅的条件下，沉积层的电差异通常与地层中的砂和泥质含量有关．含砂量高的地层往往是电阻率高的含水地层，而泥质含量高的地层通常是电阻率低的隔水层．电阻率与岩性颗粒的大小成正比，即：岩性颗粒的尺寸越大，对应的电阻率越大．粒径较大的砂层和砾石层电阻率较大，而泥岩层和粘土层电阻率相对较小．一般条件下煤层电阻率明显高于围岩，而未充水采空区的电阻率值明显高于煤层和其它岩层[19]．水积聚后，其电阻率明显低于周围介质．因此，对于该研究区域采空区分布规律未知、工程地质条件复杂的特征，利用地下粘土、砂岩、岩石裂隙之间电性差异可在反演视电阻率图上直观地反映采空区及周边岩性的实际情况．电性资料显示不同岩层具有不同电性差异，如表1所示[19]．

表1 相关介质电阻率参数

2 研究方法

2.1 基本原理

高密度电阻率法的基本工作原理与常规电阻率法大致相同，根据不同岩石组分显示的不同电差异，通过调整地表电极距的参数，对应采集不同区域、不同深度岩石的视电阻率．根据外加电场作用下地层中导电电流传导的分布规律，可以推断不同电阻率地下地质体的赋存状态．通过A、B两个电极向地下传导电流I，随后在M、N两个电极之间测量电位差∆V，从而可求得该点（M、N之间）的视电阻率值[20]．根据实测的视电阻率剖面进行数据处理、参数校正、解释和反演成图，得到地层中的电阻率分布情况，从而划分地层类型，确定地下异常体等．

2.2 装置形式

本文采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-9超级高密度电法系统，该系统能够完成温纳（Wennerα、Wennerβ、Wennerγ）、施贝1、施贝2、偶极-偶极（dipole-dipole）、联合剖面法、二极电阻率成像CT法、微分法、三极滚动连续测深法及单边三极滚动连续测深等装置形式的高密度电阻率法数据采集、显示工作[21]．与其配套软件具有数据采集、文件存储、数据回放和调用等功能．

根据地质任务对勘探深度的要求，在前期掌握工作区不同岩性电性参数的基础上确定探测工作参数，采用高密度电阻率法中的三极装置进行探测．结合场地的施工情况，设置电极间的距离为10 m；数据采集采用350 V直流电源，脉冲宽度为0.5 s，周期为1 s．现场工作共收集了14 025个数据点，单点数据测量330个；检查数据点700个．由高密度电阻率法视电阻断面反演成果图可知，所测电流、电压的正、负周期波形稳定，测量数据质量较好．符合相应的技术规程及方案要求．三级装置数据采集方式如图3所示[22]．

图3 温纳装置的数据采集方式示意图

装置的特点是AM=MN=NB=na，记录点为MN的中点．采集后得到一个倒梯形数据体[23]．

装置系数为：

其视电阻率表达式为：

利用滑动平均值法计算视电阻率的有效值ρx(i)，调整调查区域或其中一个断面的统计参数，用来计算电极调节系数K(L)．求得相对电阻率值：

所求相对电阻率值，可以在一定程度上消除研究区断面从顶部到底部水平地层的变化情况．在一定程度上，相对电阻率剖面可以反映地电体沿剖面的水平变化趋势[24-25]．

3 野外数据采集及处理

3.1 数据采集

根据勘探目的及现场条件，为完成勘探任务，共布置高密度电阻率法勘探线11条，总长9 900 m，每条勘探线长900 m，桩点位置间的电极距10 m，总桩号点数90个，且隔离系数k=25．单条测线采集数据点数1 275个，共采集数据点14 025个．测线因现场布置位置和地表情况的不同长度有所变化，测线及测点布置情况如图4所示．

图4 高密度电阻率法测线及钻孔位置

从三塘湖条湖三矿一号治理区最东缘南部边界开始，G-4走向延东北-西南向展布，桩号依次递增．该条测线与煤层走向基本垂直，可反映深部潜在煤层的倾向展布情况．G-5、G-6、G-7、G-8依次顺连，位于一至四号治理区南部，方位均为西北-东南向，沿各治理区的走向线南侧缓冲区边界展布，各勘探线桩号由西北向东南依次递增且与治理区内的M2煤层走向基本平行，位于煤线露头南部下盘区域．G-9、G-10、G-11、G-12位于三塘湖条湖三矿治理区北侧范围内，顺连沿着治理区缓冲带走向展布，与G-5、G-6、G-7、G-8勘探线平行相对，测线方位、展布走向、桩号递增情况与下伏勘探线保持一致．均位于露头煤线走向以北的上盘区域内．G-13与G-14号勘测线相对平行，位于三条煤矿四号治理区南北两侧，方位西北-东南向，桩号由西北向东南依次由0∼900 m递增，但仍需部分勘探测线布设超出四号治理区规定范围，符合高密度电阻率法的实际布设要求．

3.2 数据处理

野外数据采集工作完成后，对实测的电位和电流数据进行地形校正、坐标变换、去除畸变点等处理，选用质量较好、参考可信度高的数据进行视参数分级，分级方式选用五级制划分四个界限．其优势在于：将剖面上各点的电极调节系数或相对电阻率划分为不同等级，用不同符号或灰阶（灰度）表示，便于获得视参数异常灰度图．与其它方法相比，视参数等级剖面图能更直观、形象地反映地层位置的实际分布特征．当ρs(i)D4时，电阻率表现为高阻．

采用Res2dinv软件对实测数据进行反演计算，获取各条测量线的视电阻率剖面图，其中：红色色阶代表高阻部分，蓝色色阶代表低阻部分[26-28]．结合工作区地层各岩性地球物理特征，第四系覆盖层、松散堆积物及含煤地层的细粒粉砂岩等表现为高阻异常，呈暗红色-鲜红色；粉砂质泥岩、炭质泥岩表现为甚低阻，呈蓝色；煤层表现为∠40˚∼∠60˚倾角的中高阻异常（垂直走向剖面方向），呈橘红色；而采空区为串珠状的低阻异常或与煤层产状相似的低阻条带异常，呈淡蓝色．依据以上原则对反演剖面进行解释，划定了本次勘探的异常区．

4 资料的解译

根据该区域初步勘察结果，结合所处的地质环境及该地段的采空区发育规律，推测其采空区可能出现的位置、地层岩性发育变化及水侵入等基本情况，所以在推断时应结合实际调查情况，明确低阻区为可能存在的采空区．

1）由图5中G-4剖面反演解释结果可知，在测线240∼350 m之间，深度39∼70 m处存在一椭圆状高阻区，推测应由岩性变化所致，即由松散沉积变为致密粉砂岩；在540 m处，出现一高角度由地表向深部急倾的高阻-中阻串珠条带状异常带，该电阻异常带与煤层倾向基本吻合，倾角相似，故可推断该异常带为总体呈现中阻特征的可采煤层．

图5 G-4、G-5剖面视电阻率-深度反演断面图

2）G-5、G-6、G-7、G-8勘探线布设的目的是探测治理区南侧实施治理台阶工作面是否存在潜在塌方风险，进行超前预报；与治理区北侧测线进行对照，总结地下含煤-不含煤地层在视电阻率图的变化规律．

其中G-5、G-6、G-8三条剖线主要特征相似，电阻异常带总体呈平缓层状分布的特征较为明显，深部电性特征极为简单，表示三条剖面内深部地层稳定展布，上覆低阻层，下部高阻基岩．G-5剖线的高密度测线并未完全平行于地层走向，故在某些桩号处出现些许波动，且在320 m桩号处即出现高密度测线与地层走向斜交，导致视电阻率出现局部上凸的异常现象；而G-6的电阻率层状分带性特征更为明显，显示地层产状更为稳定，并且延续性可信度更高，该剖面在40 m处浅部出现蓝色低阻层，推断为第四系松散堆积物，并呈现出多连续闭合同心环视电阻率特征，由地表剥蚀程度不同引起水侵面不一致，从而形成线状分布的低阻现象；G-8勘探线在剖面线桩号200∼720 m处甚浅部存在一延续性良好的高阻带，且其下部为连续性极好的平缓低阻带，推测为富集大量孔隙水的砂岩层．总体来看，该区域未发现塌陷区存在特征，岩层结构稳定．

G-7剖面线电阻率异常带与G-6剖面线深部高阻层连续展布略有不同，存在中心桩号320 m、中心桩号680 m两处高阻区域及中阻连接区域，显示桩号240∼760 m之间深部地层岩性具有一定差异，且连续性一般，虽然未有塌陷区存在特征，但可能存在一定的地层层间破碎及断裂断层位移，如图6所示．

图6 G-6、G-7剖面视电阻率-深度反演断面图

3）G-9剖面反演结果显示在桩号500∼560 m区域、深度70 m以浅存在低阻异常，结合现场踏勘，该异常为地下塌陷所致．根据G-10、G-11、G-12、G-14勘探线的浅部煤层出现位置（空间坐标，埋藏深度）的视电阻率特征，确定下部煤层均具有采空区．通过G-11剖面成果图，显示在桩号为320∼600 m范围内垂向上可见高-低-高视电阻率分布特征，该特征与地层岩性具有良好的对应关系，如位于低阻层上下两侧的高阻异常层可能为煤层顶底板的粉砂岩，故两高阻层中间部位即可推断为M2煤层所在位置；中部绿色圈闭的低阻带呈明显环带状，与G-10剖面线桩号320∼900 m、深度60 m左右的环状绿色区域特征十分相似，对比G-4未开采煤层的电阻率异常，认为该测线上相应深度出现煤层的低阻异常具有采空区的特征，故该异常位置可能为采空区存在部位．另外联合G-10、G-11剖面线一并分析，两次显示的环带圈闭低阻异常区在深度上基本相同，约垂深60 m左右，如图7所示．

图7 G-9、G-10、G-11剖面视电阻率-深度反演断面图

4）G-12剖面反演结果解释该测线存在绿色串珠状的低阻异常条带，具体范围为桩号320∼600 m之间，由桩号320 m、深度约10 m处至桩号600 m、深度约85 m处结束，认为该位置可能为采空区存在部位的特征．由图8可知，顺连的G-14勘探线剖面上桩号350∼500 m范围、垂向60 m深度处，出现一缓倾的绿色-墨绿色圈闭低阻环带，推断可能为采空区所在区域；剖面上桩号640∼800 m范围内、垂向80 m深度至浅区域存在低阻异常区域，与煤层所在位置的部分采空区较为近似，但根据现场地质背景分析，该区域的浅部低阻层可能是由低阻的不含煤地层组成．因此，该范围内存在一定程度塌陷的风险，岩层结构可能会不甚稳定，需要作出超前预报，联合G-10、G-11、G-12、G-14剖面线合并为一个预防塌陷的警戒区域．

图8 G-14剖面视电阻率-深度反演断面图

在G-9、G-10、G-11、G-12测线上共设4个钻孔点位，钻孔孔深误差校正结果均满足实验要求，钻孔数据均达标．所有点位均反映地层内部存在地下空区及缝隙等特征．与电法测得结果具有高度的一致性，其结果也侧面反映该方法的可行性与实用性．相关数据如表2所示．

表2 钻探验证采空区的位置

通过钻孔工程分析掌握区内地质构造的赋存发育状况，对地层稳定性作进一步控制和评价，利用电法勘探与钻探相结合的方法，证实区内采空区、相关煤层产状及岩性特征等情况，符合该区域煤矿开采遗留下的地质现状．

由此可见，高密度电阻率法对于采空区的识别行之有效，剥蚀程度和水侵面的不一致可能导致低阻异常区．该方法不能有效区分采空区内部岩层间破碎、孔隙和断裂、断层之间的差异，只能反映该区域的高阻异常带，孔隙和断裂、断层之间的差异可能需要布置更为密集的电极距进行验证．以反演结果为依据，结合地质地层、岩性及产状等特征预测采空区范围，如图9所示．

图9 预测采空区范围

5 结论

1）通过高密度电阻率法结合前期调查材料，基本已查明鑫源煤矿矿区内主要煤层的采空区分布特征．该区域未采煤层的视电阻率为中高阻，采空区多呈蓝色低阻环带状以及串珠状特征，多数区域煤层上下具有两高阻覆盖层，出现高-低-高的视电阻率现象．

2）解译出G-9、G-10、G-11、G-12、G-14五条高密度勘探线在60∼70 m深度处均出现视电阻率环带状、串珠状特征，判断其测线范围内均出现采空区．并且由高密度测线反演结果图可知，G-5、G-6、G-8剖面地层视电阻率变化特征主要为上低下高，上部低阻为泥岩，下部高阻为粉砂岩，也显示出地层具有良好的横向稳定性．

3）经钻孔验证，证实高密度电阻率法观测精度高、采集范围广，在浅地层探测工程中有相当好的应用，能准确探明采空区、相关煤层产状及岩性特征，为后期治理与评价提供一定的参考．