摘 要：在淮南矿区，A组煤底板灰岩水一直是威胁煤炭生产的主要安全隐患，因此准确探、放底板灰岩水对该区煤矿安全生产具有重要指导意义。通过分析淮南矿区前期地质勘查资料，以潘二矿V东02孔和C3-Ⅲ孔典型剖面为依据建立了三层状数值模型，模拟该区底板含水异常体。在改变装置类型及测线极距条件下，利用电阻率及极化率两个电性参数进行数值模拟研究。数值模拟结果表明：异常体深度相对较深或电极数量有限时，优先选用三极装置；采用小电极距可以有效提高垂直分辨率；极化率对异常体响应程度弱于电阻率。同时为提高研究程度，建立了室内工程场地模型，并选择温纳三极装置进行实验，结果表明，视电阻率和视极化率的大小与水量的关系比较明显，该方法有助于对底板灰岩水的评价。
关键词：物理模拟；数值模拟；底板灰岩水；电阻率；极化率；直流电法
0 前言
我国能源结构的特点是“以煤为主”。煤炭在我国一次性能源生产和消费中占主导地位。煤矿的安全生产问题是煤炭工业发展的制约因素，其中矿井水害是常见的矿井地质灾害之一，特别是水文地质条件类型为复杂类型的矿井，易于发生矿井突水等事故，严重威胁煤矿的安全生产，甚至造成人员伤亡。当开采煤层底部直接与水压、富水量大的底板灰岩含水体相连，或者煤层与底部的灰岩含水层之间的隔水层较薄时，在矿井采动的影响下，容易发生矿井底板突水，导致矿井涌水量猛增甚至淹井事故的发生。准确地查明巷道底板水特别是底板灰岩水赋存分布范围，对工作面进行防治水工作、消除突水威胁、保障工作面安全合理开采，具有重要的指导意义[1-5]。
目前物探技术是矿井防治水主要技术之一，矿井水文物探方法[6,7]主要有直流电法、瞬变电磁法、音频电透视法、无线电波透视法等。通过对在开采区采前和采动过程巾的地电场响应变化特征的分析，对探测区域导水地质构造及水量进行实时动态探测或监控，可以预测预报矿井灾害水源的水量的大小。
1 矿区地质概况
淮南煤田位于华北平原南缘，为近东西向的复向斜构造盆地。区域地质构造属秦岭纬向构造带的东部倾伏端，复向斜盆地南北两翼残丘起伏，零星裸露奥陶、寒武系以石灰岩为主的地层。水文地质条件受区域构造及新构造运动的控制，深、浅层地下水存在明显的差异[8]。
根据水文地质条件的不同，可将本区划分为南、北、中三个水文地质分区。南区地处复向斜南翼推覆构造的前缘，位于阜凤与舜耕山逆冲断层之问，属其上冲异地系统，包括八公山和舜耕山等低山丘陵。淮南老区生产矿井全部集中在南区，南区是以石灰岩为主的岩溶裂隙含水层裸露区，接受大气降水补给；北区包括明龙山与上窑两个丘陵地区，受尚塘集～明龙山逆冲断层制约，水文地质条件与南区近似；中区是复向斜的主体，分布有陈桥背斜和潘集背斜，包括东自潘集西至谢桥、刘庄各井田，因上覆有巨厚的新生界松散层，又受南北两翼逆冲断层和斜切断层的切割，构成了淮河以北特有的水文地质单元，地下水以储存量为主，水质属C1-K+Na型，矿化度2g/L左右。
根据淮南矿区A组煤开采底板灰岩水文地质综合柱状图及测井资料，基本掌握了淮南矿区A组煤底板地质情况，图1是潘二矿V东02孔和C3一Ⅲ孔钻孔剖面图。分析可知，3煤和1煤底板下的C31灰岩和C32灰岩岩层厚度小，平均厚度1.5～1.8m左右，富水性相对较弱，而C33上。灰岩和C33下灰岩岩层厚度较大，平均厚度4.5～5.5m，是淮南矿区A组煤开采的直接充水含水层，存在突水隐患。
2 数值模拟
2.1 参数设置
根据潘二矿V东02孔和C3-Ⅲ孔钻孔剖面图，利用loke(Rapid 2D and 3D Resistivity &IP in -version)软件建立层状模型模拟底板含水异常体，在改变装置类型(温纳三极、温纳四极、温纳偶极及温纳微分)及测线极距条件下，利用电阻率及极化率两个电性参数展开数值模拟研究。共计算有效数据240组，成图360张。层状模型电阻率设定为第一层电阻率40Ω•m，第二层电阻率80Ω•m，第三层电阻率60Ω•m、极化率(第一层极化率l％，第二层极化率0.5％，第三层极化率0.1％)；低阻富水异常体电阻率5Ω•m、极化率5％。每条测线上设置64个电极，异常体大小10m×l0m。图2是loke层状正演模型图。
2.2 数值模拟结果分析
将装置类型(温纳三极、温纳四极、温纳偶极及温纳微分)和测线的电极距d当做因变量，得到不同装置类型分别在不同极距时的电阻率、极化率反演剖面图，如图3～5所示。通过分析得到以下结论。
①当目标体所在位置深度相对较深或电极数量有限时，优先选片J极装置(单偶极装置)；当要求垂直分辨率较高时，推荐选用温纳偶极、温纳四极、温纳微分装置。
②在保证有效勘探深度的前提下，采用小电极距可以提高对异常体勘探的水平和垂直分辨率；为增加测线长度增大有效勘探深度，当异常体的横向尺寸大于电极距d时，可选用较大电极距；在不受现场施工条件影响下，电极距较小时，为提高有效勘探深度，可适量增加电极数量。
③极化率反演对异常体的响应敏感程度弱于电阻率反演对异常体的响应程度。
3 物理模拟
3.1 物理模型参数
室内物理模型材料选取以河砂为骨料，水泥、石膏为胶结物的相似材料，同时参照前人研究配制砂、水泥、石膏相似材料时的配比方式建立室内工程场地模型。同时，材料在混合时采用搅拌机均匀搅拌，在模型填料过程使用棒式振捣器进行密实，模型如图6所示，具体模型参数如下。
模型体积(m³)，2.048； 砂(kg)，3280；
模型质量(kg)，4273.84；硼砂(kg)，9.84；
石膏(kg)，196.8； 水(kg)，328；
水泥(kg)，459.2； 配比，3:7:50:0.15:5
实验采用网络并行电法仪[9-11]进行数据采集，为提高效率数据采集方式选用AM法，恒流时间0.5s，采样间隔50ms，装置形式选择温纳三极。
3.2 实验结果分析
通过室内物理模拟实验，由图7可知，视电阻率剖面图对水的响应敏感度较好，从5-7-18:00开始注水到5-7-2l:30水槽注满水，随着水槽内水量的增加，物理模型左侧面的视电阻率值逐渐降低，当水槽注满时，视电阻率值最低；然后随着放水时间(5-8～5-9)的增加，视电阻率值逐渐升高。图8是视电阻率平均值与水量关系曲线图，由图可知，随着水量的增加，视电阻率平均值逐渐降低。极化率效果整体不是很明显，此次实验未达到理想效果，分析原因一是本身模型阻值较高，极化效果差；二是电极选取问题，本次实验并没采用一开始预想的硫酸铜溶液不极化电极，采用石墨棒代替，对极化效果存在一定影响。
  图7 室内物理模型左侧面剖面图 4 结论
根据淮南矿区地质资料，利用loke软件对不同装置类型不同电极距进行正反演数值模拟，在理论上得到直流电法勘探装置类型及测线电极距的选择依据。分析室内物理模型实验结果可知，直流电法及激电法参数(视电阻率、视极化率)可用于底板灰岩水的探测。本文实验仅为基础研究，下一步将根据实际地质问题，在相似条件下建立地质模型数据处理分析和探测仪器优化改进中加以解决。并且矿井中的全空间问题导致时间域电磁法勘探产生的体积效应影响，也需要加强理论方面的研究。
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