前言
受某矿委托，我单位拟使用ZDJ9.6矿用并行电法监测装置在该矿15112高抽巷开展矿井并行电法物探勘探工作，以进一步探查该矿15112高抽巷迎头前方100m范围及底板80m范围岩层的富水情况，为该矿15112高抽巷提供物探技术资料。经对资料进行处理、分析，现提交最终成果报告，含附图两幅。
1 工程概况及任务
1.1 项目概况
15112高抽巷沿9号煤层掘进，9号煤层位于太原组上段中上部，上距8号煤层1.07-16.16m，平均9.87m。煤层厚度为0.67-2.35m，平均1.75m，结构简单。巷道底板距K4灰岩层16m，K4石灰岩厚2.23～4.68m，平均3.16m，局部地段泥质含量较高，裂隙较发育。距K3会岩层36m，K3石灰岩厚2.23～4.68m，平均3.71m，泥质含量较高，局部地段发育有小裂隙。
1.2 探测任务
本次探测任务是利用矿井直流电法查明15112高抽巷迎头前方100m范围和底板下方80m范围内岩层的电性分布特征，根据物探结果，圈定相对低阻区。结合地质资料，综合分析与评价岩层的富水性，为15112高抽巷安全掘进提供物探资料。
2 方法选择依据及方法简介
根据地质任务要求，本次勘探的主要目的是巷道迎头前方和巷道底板与水有关的低阻地质体，因此，选择对低阻体响应敏感的矿井直流电法探测底板岩层富水情况，为后期的工作面安全回采提供物探资料。
2.1 方法选择依据
从不同岩性地层的物性差异的角度来分析我们所关心的地层，可以知道其一般变化规律为从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩到煤层，电阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板为一相对高阻层。正常地层组合条件下，在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循，在构造发育带附近，或者出现层位错动、或者是地层产生揉皱变化，这种变化一般都伴随着一定范围内地层裂隙发育，从而为岩层水体的富集提供了有利空间。一旦裂隙充水，即相当局部出现有明显的含水构造，由于矿井裂隙水体的导电性良好，在纵向与横向上都打破了原有电性的固有变化规律。上述物性变化的存在为以电性差异为应用前提的电磁法勘探方法的实施提供了良好的地球物理条件。
15112高抽巷的地层沉积序列比较清晰，巷道沿9号下煤层掘进，下方80m范围存在砂质泥岩、石灰岩和泥岩层，中间夹杂10、11、12号煤(均不可采)。该区域的地层在原生状态下，其导电性特征在纵向上有其固有的变化规律，而在横向上相对比较均一。若存在构造破碎带时，如果构造内不含水，则其导电性较差，使局部电阻率值增高；如果构造含水，由于含水体具良好导电性，它与围岩产生明显的电性差异，其导电性较好。
2.2 直流电法超前探测方法简介
井下直流电法超前探测技术在矿井巷道掘进超前探测过程中，主要是依据单极—偶极电阻率法测量原理，在均匀介质中，利用单点电源A供电，另一供电电极B置于“无穷远”(使B点电源场在探测区域内可以忽略)，点电源A形成的等位面为球面，通过观测测量电极M、N之间的电位差，该电位差为MN所夹球壳内岩体的综合电性响应，如图2-1所示。通过在掘进头后方滚动布置供电测量电极对，获取测量电极之间的电位差，按如下公式计算视电阻率值： 式中：ρs—单位：Ω·m；ΔUMN—单位：V；I—单位：A
若MN球壳体积范围内有异常体(如导水断层)存在，则其电阻率ρs相对围岩表现为低阻；若断层破碎带不导水，则ρs表现为相对高电阻率值。因此利用分析视电阻率值的变化情况预报掘进迎头前方电性异常。
井下现场观测布置方式具有独特性。利用并行电法仪器一次布置电极32个，任一电极供电时，其余31个电极同时采集电位，这样可在短时间内完成多个供电点三极组合测试，取得大量的电极点电位数据，实现多极供电直流电法超前探测技术。如图2-2所示，在掘进巷道迎头附近一次布置32个电极，其中迎头布置A1～A8八个发射电极(视迎头断面大小而定)，M9～M32沿巷道迎头后方底板按照一定极距布置，控制并行电法仪器使得A1～A8逐个供电，该仪器在电极供电的同时，采集其余非供电点的电位值。根据直流电法超前探测需要可从中提取前几个(一般为3～8个)电极供电数据，通过一定的数据处理方法(如下述内容)表达巷道迎头前方岩体视电阻率分布情况，判断前方低阻异常。
2.3 直流电法测深简介
将直流电源的两端通过埋设地下的两个电极(electrode)A、B向大地供电，在地面以下的导电半空间建立起稳定电场(tranquilized electric fields)(如图2-3)。该稳定电场的分布状态决定于地下不同电阻率的岩层(或矿体)的赋存状态。所以，从地面观察稳定电场的变化和分布，可以了解地下的地质情况，这就是直流电阻率法勘探的基本原理。直流电阻率法常简称为直流电法。
为测定均匀大地的电阻率，通常在大地表面布置对称四极装置，即两个供电电极A、B，两个测量电极M、N(如图2-4)。 当通过供电电极A、B向地下发送电流I时，就在地下电阻率为ρ的均匀半空间建立起稳定的电场。在MN处观测电位差△UMN大小。均匀大地电阻率计算表达式为： 其中 称为装置系数。装置系数K的大小仅与供电电极A、B及测量电极M、N的相互位置有关。当电极位置固定时，K值即可确定。
在均匀各向同性的介质中，不论布极形式如何，根据测量结果，计算出的电阻率始终等于介质的真电阻率ρ。这是由于布极形式的改变，可使K值和I及∆Umn也作相应的改变，从而使ρ保持不变。在实际工作中，常遇到的地电断面一般是不均匀和比较复杂的。当仍用四极装置进行电法勘探时，将不均匀的地电断面以等效均匀断面来替代，故仍然套用(2-3)式计算地下介质的电阻率。这佯得到的电阻率不等于某一岩层的真电阻率，而是该电场分布范围内，各种岩石电阻率综合影响的结果，称之为视电阻率，并用ρs符号表示。因此视电阻率的表达式为: 这是视电阻率法中最基本的计算公式。电阻率法更确切地说，应称作视电阻率法，它是根据所测视电阻率的变化特点和规律去发现和了解地下的电性不均匀体，揭示不同地电断面情况，从而达到探查导水构造的目的。
并行电法为直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。它既具有集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度组合功能，同时，还具有多次覆盖叠加的优势，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。由于采用并行技术，在数据采集时具有同时性和瞬时性，可得到供电时的测线上的全部电位曲线，使得电法图像更加真实合理，大大提高了视电阻率的时间分辨率。
并行电法的起点是高密度电法勘探。高密度电法仪是在传统电法仪的基础上加上了单片机电极转换控制系统，通过多芯电缆与电极的连接来构成，整套系统只有一个A/D转换器，导致其只能串行采样。要实行并行采样就必须使每一电极都配备A/D转换器，能自动采样的电极相当于智能电极，智能电极通过网络协议与主机保持实时联系，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于AB供电状态，否则一直工作在电压采样状态，并通过通讯线实时地将测量数据送回主机。通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程没有空闲电极出现。智能电极与网络系统结合，实现了并行电法勘探，完全类似于地震勘探的数据采集功能，从而大大降低了电法数据的采集成本。根据电极观测装置的不同，并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法(如图2-5)。利用并行电法仪采集的数据可以进行高密度电阻率法和高分辨地电阻率法解释。 3 仪器设备
本次勘探使用设备为ZDJ9.6矿井并行电法监测装置，该设备是由福州华虹智能科技股份有限公司联合相关高校院所研发的一款最新的矿井直流电法勘探设备。该设备采用先进的分段集中式架构实现的全并行电法勘测系统，该系统依托可编程逻辑构建强大的硬实时数据全并行采集与处理，系统具单机、多机工作模式，也可拓展成监测工作模式，满足多种电法勘探：常规电法、高密度电法、三维电法等数据采集需求。可应用于矿山开采、隧道、地铁、水利等地下工程水文地质隐患探测和监测。
4 施工设计
4.1 直流电法超前探测
根据项目需求，直流电法超前探测，布置八个发射电极，24个接收电极，电极间距5m，测线布置长度约为155m，其中，电极从巷道掘进迎头与底板相交处依次布置发射点，A1、A2……A8号电极，后极依次以5m间距沿巷道走向布置M9、M10……M32接收电极，布置时电极位于底板巷道中心轴线上，测点示意如图4-1。
4.2 直流电法测深
根据项目需求，直流电法底板煤层测深探测，共布置64个点，从1#到64#。以1#测点作为测深探测起点位置，探测3站，每站重复16个电极，即每一站的1号电极是前一站的17号电极，探测长度为300m，A1、A2……A32号电极，，布置时电极位于底板巷道中心轴线上，测点示意如图4-2。
5 物探数据处理及物探成果解释
现场实测资料经计算机处理后，根据测区的不同情况，经自动迭代回归分析和常系数代入处理。数据处理步骤一般包括新建工程、坐标输入、查看观测系统、计算视电阻率曲线图、生成视电阻率剖面图、生成视电阻率二维相关图。
经上述数据处理、分析，获得15112高抽巷迎头超前探测视电阻率平面图和15112高抽巷底板测深视电阻率剖面图，图中不同的色调表示不同的视电阻率值，并且遵循色调从冷色调(蓝色)到暖色调(白色)表示视电阻率值不断升高的规律，具体如图5-1和5-2所示。
(1)从15112高抽巷迎头超前探测视电阻率平面图(图5-1)中总体电阻率分布来看，迎头前方100m探测范围内地层视电阻率整体较高，局部存在相对低阻异常区。从图5-1中圈定3处低阻异常区，分别为YC1#、YC2#和YC3#；
(2)从15112高抽巷底板测深视电阻率剖面图(图5-2)中总体电阻率分布规律来看，在下沿深度10-45m范围整体视电阻率值相对较低，且对数据进行的统计学分析，确定电阻率ρs值小于20Ω·m为低阻相对明显区，以此为阈值标准，在图5-2中进一步圈定了2处低阻异常区，命名为YC1#和YC2#。
6 结论与建议
6.1 结论
(1)通过直流电法超前探物探结果，15112高抽巷掘进前方存在3处相对低阻异常区，分别YC1#、YC2#和YC3#。其中异常区YC1#范围：迎头前方10-15m；异常区YC2#范围：迎头前方57-64m；异常区YC3#范围：迎头前方80-88m。
(2)通过直流电法底板测深物探结果，15112高抽巷底板10m～45m范围的整体视电阻率相对较低，且此范围内存在两处相对低阻异常区，为YC1#和YC2#。其中异常区YC1#范围：15112高抽巷19#-25#点(迎头后退180-240m)，下沿深度10-30m。；异常区YC2#范围：15112巷6#-10#点(迎头后退55-90m)，下沿深度25-50m。
6.2 建议
(1)15112高抽巷超前物探成果存在3处低阻异常区，结合15112高抽巷掘进期间的地质资料，推测低阻异常位置可能与9号煤层的煤岩体结构发生变化或前方存在少量裂隙水有关，导致视电阻率产生变化。建议结合钻探、水文地质情况进行验证分析，确保巷道掘进安全。
(2)15112高抽巷底板测深物探成果10m～45m范围的整体视电阻率相对较低，且存在两处相对低阻异常区。结合15112高抽巷的地质资料，15112高抽巷底板下方10～35m范围存在K4、K3石灰岩层。由15112高抽巷底板测深物探成果可知10-45m段整体视电阻率值相对较低，可能与K4、K3灰岩层有关，推测K4、K3石灰岩存在弱富水的综合反应，且该段存在两处视电阻率低值相对集中区域，推测两处异常区位置的K4、K3灰岩岩层裂隙相对发育，导致视电阻率产生变化。建议结合钻探、水文地质情况进行验证分析，确保巷道掘进安全。
(3)直流电法探测异常区划分的主要依据是视电阻率值的高低，但引起视电阻率变化的因素是多样的，因此所划分的低阻异常区仅是视电阻率变化的反映，异常区的实际情况还需结合钻探验证，建议进行钻探验证.
(4)巷道掘进应加强地质编录，对出现的水文异常情况进行详细记录，并及时反馈给我公司，及时进行动态解释，通过实际探掘对比，进一步提高资料解释的精度。
附图一 15112高抽巷迎头超前探测结果图
附图二 15112高抽巷底板测深结果图