华北办事处 骆彬

1 工程概况
    Ⅲ610工作面所采煤层为6#煤，相对应的地面位置为南湖公园塌陷区，湖心岛附近，距沱河路以北20m至以南850m，距长山南路以东650m-800m；地面有一条环湖路。Ⅲ610工作面东为Ⅱ619、Ⅱ6111、Ⅲ611、Ⅲ613工作面(已采)；西为Ⅱ6114、Ⅱ6116、Ⅲ614、Ⅲ616工作面(已采)；南为Ⅱ61上部煤柱工作面(已采)；北为Ⅲ6110和Ⅲ6112工作面(已采)。面内共有5条巷道位于工作面上、下；从东至西分别为Ⅱ61回风石门、Ⅱ61石门、Ⅱ61轨道上山、Ⅱ61皮带上山和Ⅲ61皮带下山。Ⅲ610工作面及其临近的工作面煤层赋存较稳定、结构简单；煤层倾向350°，倾角6-8°，平均7°，煤层厚度1.2-2.8m，平均2.7m，下部受河床冲刷影响，局部变薄，在掘进过程中风巷将受到Ⅲ611轨道巷揭露的断层330°∠58°H：1.0m和Ⅲ61皮带下山揭露断层112°∠40°H：3.3m的影响。顶、底板均为泥岩、中粒砂岩。顶底板赋存情况如表1-1。

表1-1 Ⅲ610工作面煤层顶底板赋存岩层

    为了有效指导Ⅲ610工作面底板灰岩水探放和治理工作，查明底板富水异常，拟开展工作面底板电法探测工程。
    该本工程主要任务如下：
    (1)查明Ⅲ610工作面机巷、风巷及切眼底板岩层电性分布特征；
    (2)基本查明Ⅲ610工作面内底板岩层电性分布特征，圈定工作面底板相对低阻区，分析与评价其富水性，指导防治水工作；
2 探测方法原理
2.1 方法选择依据
    本次井下物探采用矿井直流电法、矿井并行三维电法技术。本次勘探之所以设计选择该技术，理由如下：
目前矿井直流电法、矿井并行三维电法技术是能有效探测采煤工作面顶、底部岩层中含水性异常最有效的矿井物探技术之一。
    该技术已在山东、河北、河南、江苏、安徽、陕西、山西、四川、新疆、湖南等多个矿务局的采煤工作面得以推广应用，均取得了良好的地质效果，为煤矿防治水工作提供了有力指导。
2.2 方法原理概述
2.2.1 直流电测深方法
    从电性上分析，不同岩性的地层其一般规律为：灰岩、煤层电阻率值相对较高、砂岩次之、粘土岩类最低。即泥岩、粘土岩、粉砂岩等与灰岩、煤层的导电性差异明显。
    由于本区地层的沉积序列比较清晰，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。当存在构造破碎带时，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。
    总之，一旦存在断层等含水地质构造，都将打破地层原有的电性分布规律。这种变化特征的存在，给以导电性差异为应用基础的电法探测技术的实施提供了良好的地球物理前提。
    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2-1)。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。

图2-1 地下稳定电流场装置图

    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2-2)。

图2-2 对称四极装置图

    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

     (2-1)

    其中称为装置系数，其单位为m。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ρ使保持不变。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(2-1)式计算地下介质的电阻率。这样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 (2-2)
    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。
    并行电法仪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2-3)。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。

图2-3 并行电法采集电位图
(a)AM法；(b)ABM法
 

3 现场数据采集
    现场工作于2016年10月26日于某矿Ⅲ610工作面机顺和风巷道进行，现场综合采用了双巷三维并行直流电法透视CT、高密度测深。测线布置在风顺和机巷顺中，利用双巷形成透视观测系统。分别在轨顺和运顺底板布置测线，共2条，测线自切眼向外口，风巷测线长540m，电极距5m，布置2站，机巷440m，电极距5m、布置2站，共进行4站数据采集(图3-1)。

3-1 三维并行电法测线示意图

4 探测结果分析
    本次该矿Ⅲ610工作面底板电法探测工程针完成工作面底板探测，采用了三维并行直流电法透视CT法、直流高密度测深法。通过系列处理获得了工区范围内相应成果剖面。
4.1 物探资料分析
1)风巷机巷底板高密度测深资料分析
    附图1中分别为风巷和机巷底板高密度温纳三极视电阻率剖面，反映了机巷和风巷下方底板地层的电性变化，自冷色调向暖色标视电阻率逐渐升高。本次以低于10欧姆.米作为标准圈定相对低阻异常区。
2)工作面三维并行电法透视CT资料分析
    附图2和附图3为Ⅲ610工作面三维并行电法透视CT成果图。本次工作面底板三维透视电法成果范围为风巷540m，机巷418m，底板深度80m三维范围内电性分布，自浅向深提取不同深度(20m、40m、60m、80m)的电阻率水平切片。同样以低于10欧姆.米作为标准圈定相对低阻异常区。
3)异常区综合分析
    根据异常区分布平面重叠以及深度影响特征，将高密度测深法和三维并行电法透视两种方法所圈定的异常区进行合并综合解释，保留几种方法共同异常区。风巷机巷底板以下0～50m浅部，共解释2处异常区，分别编号为QYC1～QYC2；深部50～80m共解释3处异常区，编号为SYC1～SYC3，具体位置和形态见附图4和附图5综合解释成果图。
4.2 地质综合解释
    根据Ⅲ610工作面的地质资料，工作面底板下伏0～30m为砂岩，30～50m为泥岩层，50～80m段为太原组灰岩和砂泥岩交互层，其中1灰厚2m，2灰3m，3灰7m，4灰8m。工作面底板发育有断层构造。本区浅部低阻异常区QYC1、QYC2为底板浅部的砂泥岩层位富水增强区，异常区内岩体裂隙节理发育，断层构造处岩体较破碎，富水性增加。

    深部低阻异常区SYC1～SYC3主要反映了太灰岩层的完整性、富水性的变化。所解释的深部低阻异常区主要位于断层构造带，断层影响区内岩体较破碎，富水性增强。根据异常体的特点及地质条件，深部低阻异常区的含水性强弱可定性判断为：SYC3>SYC2>SYC1；浅部异常区的含水性强弱可定性判断为QYC1>QYC2。
5 结论与建议
    本次煤矿Ⅲ610工作面底板综合物探工程采用了三维并行电法透视CT、高密度测深法，经过现场数据采集、数据处理与分析，结合本工作面相关地质资料，得出如下结论与建议。
5.1 结论
    (1)风巷机巷底板以下0～50m浅部共解释2处异常区，分别编号为QYC1、QYC2；深部50～80m共解释3处异常区，编号为SYC1～SYC3。
    (2)浅部低阻异常区QYC1、YC2反映了底板下砂泥岩的富水性异常，异常区内岩体裂隙节理发育，断层构造处岩体较破碎，富水性增强。深部低阻异常区SYC1～SYC3主要反映了太灰岩层的完整性和富水性的变化，且深部低阻异常区主要位于断层构造带影响区内，受构造作用岩体较破碎，富水性增强。
    (3)根据异常体的特点及地质条件，深部低阻异常区的含水性强弱可定性判断为：SYC3>SYC2>SYC1；浅部异常区的含水性强弱QYC1>QYC2。
5.2 建议
    (1)根据煤矿防治水规定，应对探测解释的低阻异常区进行钻探验证，并加强回采过程中的地质编录和分析工作。
    (2)可根据富水性强弱的定性判断顺序先后安排钻钻进行验证，验证过程中及时提供底板抽放水资料并与物探成果对比分析，提高资料解释的准确性。
附图
附图1 某矿Ⅲ610工作面风巷机巷底板高密度电阻率剖面

附图2 某矿Ⅲ610工作面三维并行电法CT电阻率成像立体效果图

附图3 某矿Ⅲ610工作面三维并行电法CT电阻率不同深度切片图(20m\40m\60m\80m)

附图4 某矿Ⅲ610工作面底板0～50m综合物探解释成果图

附图5 某矿Ⅲ610工作面底板50～80m综合物探解释成果图