应用三极断面测深技术探测井下含水构造

　　摘 要：在研究矿井特殊条件下电流场分布规律的基础上，阐述了矿井直流电法勘探的原理和三极断面测深技术，并结合一个具体实例介绍了断面测深技术在井下含水构造探测中的应用，旨在说明井下电法勘探的特殊性。实践证明三极断面测深技术能够查明井下含、隔水层结构和厚度等几何特征，查清工作面断层，褶曲等含水构造的位置、产状、导水性和富水性等，作为采前水文地质勘探的主要技术手段是切实可行的。
　　关键词：电法勘探;断面测深;巷道影响;全空间效应
　　采煤工作面煤层内部及其顶、底板的地质构造异常，尤其是含水、突水构造，始终困扰着高产高效综采工作面的生产安全和生产效率。近年来，矿井直流电法在巷道顶、底板隔水层厚度调查，含水、导水构造探测方面均取得了明显的地质效果，但是对工作面煤层顶、底板围岩中潜在的含水、导水构造以及煤层内部低阻异常体的探测仍是一个难题。这就需要研究在矿井特殊条件下的电流场分布规律，并采用三极断面测深技术及有效的解释方法来为煤矿的安全生产提供强有力的技术保障。
　　1 矿井直流电法及三极断面测深技术
　　1.1 矿井直流电法勘探原理和特点
　　矿井直流电法勘探是矿井地球物理勘探的重要分支，它以岩石导电性差异为基础，通过测量和分析巷道或采场附近稳定电流场的分布变化规律来研究矿井地质问题。根据场论可知，当三维空间内充满均匀同向介质时，如果在内部A点供电，M点处的电位值为：
　　，
　　当介质内部以双异极性电源供电时测量电极M、N间的电位：
　　，
　　因此
　　，
　　当全空间内介质电性非均匀时，计算结果不再是某种介质的真电阻率，而是三维空间某一体积范围内电性变化的一种综合反映，称为全空间视电阻率，用ρs表示，
　　，
　　由于高阻异常体对电流有排斥作用，低阻异常体对电流有吸收作用，因此，通过测景、分析全空间视电阻率的相对变化可以推断出介质电性变化情况，这就是矿井直流电法勘探的物理实质。
　　矿井直流电法勘探的特殊性是由电流场的分布特征决定的，因为供电电极布置在巷道边界上，电流场在巷道周围是呈全空间分布状态，因此有两点必须指出：①矿井直流电法勘探测量结果不单是布极一侧岩层电性的反映，而是整个地电断面电性变化的综合反映，即全空间场效应;②巷道空间对电流场的分布产生较大影响。其综合表现如图l所示。这种影响和测点布极因素、装置因素、以及岩层电阻率等多种因素叠加在一起，使得井下全空间电流场的分布更趋复杂化，给正确认识和分析实测资料带来许多困难，因此，有必要找出适合井下电法勘探特点的施工技术和资料处理解释方法。　　

图1 巷道影响下的电流场分布示意图

　　1.2 三极断面测深技术　　

图2 三级断面测深装置示意图

　　断面测深技术是高密度电阻率法的继承和发展。近使十几年来，电阻率法经历了从多极距电剖面法到联合测深——剖面法，从单一装置形式的单点测深到多装置形式、多测点高密度电阻率法的发展过程。三极断面测深技术沿用高密度电阻率法小测点距、小极间距的思想，但其最大供电电极距以及测最电极间距与供电电极间距之比可根据目标勘探深度和噪声水平灵活选择，不受高密度电阻率法专用电缆线固定长度和固定电极间距的限制，因而可广泛应用于电阻率数据的采集工作(图2)。采用三极断面测深技术测量的优点主要体现在：①三极装置为非对称测量系统，对局部电性异常的响应幅度大，适用于探测二维或三维地电异常体;②装置布极灵活，对地形变化的适应性强，工作方便灵活，可以避开了由于井下巷道长度有限而造成的测量盲区;③加密测点点距和极间距后，能够提高电法勘探的地质分辨能力，这对于研究较小电性反差和较小规模地质异常体尤为重要;④在整个断面测量过程中，不再重复布设电极，使电极的接地条件保持不变，且减少了施工工作量;⑤当活动电极排列整体移动测量时，近地表电性不均匀体对观测结果的影响有规律变化，易于识别和压制。因此，三极断面测深技术可广泛应用于评价巷道周围的地电断面特征，确定煤层及其围岩的电性参数;尤其在查明井下含水层和隔水层，及探测井下断层或裂隙发育带等导水构造的透水性和含水性中有特别突出的应用优势。
　　2 应用实例
　　2.1 地质概况和施工技术
　　某煤矿综采工作面是其矿区标高最低的工作面，开采山西组3号煤下分层，在轨道顺槽和运输顺槽揭露多处断层，由于采后在顶板冒落，岩层破碎、断裂，影响到隔水层的隔水能力，有可能形成良好的导水通道，容易造成工作面突水。因此，需要提前探测出易突水区和潜在的导水构造，以便进行提前预放水，来减少突水事故发生的可能性。
　　针对本次矿井直流电法勘探任务和井下施工环境，决定采用三极断面测深技术在轨道顺槽和运输顺槽分别进行施工测量。设计测线总长度1250m，布置测点47个，点距平均为30m;施工采用固定MN法，MN=10m，最大和最小供电极距分别确定为200m和7m，极距序列确定为：AO=7，10，12，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120，150，200m。
　　2.2 资料处理和解释
　　由于巷道电测深曲线类型本身的复杂性，加上巷道空间、铁轨、直接出露的断层带的影响，以及强烈的地电干扰，实测电测深曲线往往畸变严重，有时呈剧烈的锯齿跳跃，因此解释时不能象地面电测深曲线那样与各层电阻率相对大小关系一一对应，更不能仅按单条曲线进行定性和定量解释。为此，常把视电阻率断面图作为解释的依据，根据视电阻率等值线的断面图的频谱特征，采用低通滤波对其进行数据处理，提取反映垂向分布的电性异常，消除或压制横向电性变化引起的地电异常。　　

图3 轨道顺槽顶板三极断面测深断面等值线图

　　轨道顺槽顶板三极断面测深实测结果(图3)，其中用虚线所示的浅白色区域为低阻区。图中D10与D14号测点间电性变化相对剧烈，主体异常为低阻，说明对应地段顶板砂岩裂隙发育且不均匀含水;F37和F91断层间顶板低阻异常向上延展至70m左右，该带较富水，而D11号点上方低阻异常不连续说明富水性较弱;另一较为明显的低阻异常位于D1与D4号测点间，低阻异常的主体部分向上延展至35m左右。此外，D3与D5号测点间在高50-65m处有一低阻异常，说明对应砂岩段裂隙较发育且含水。
　　经钻孔和开采后验证，所划定的含水区域与实际情况基本相符合。
　　3 结论和体会
　　实践证明三极断面测深技术能够查明井下含、隔水层结构和厚度等几何特征，查清工作面断层、褶曲等含水构造的位置、产状、导水性和富水性等，作为采前水文地质勘探的主要技术手段是切实可行的。
　　①由于矿井直流电法勘探方法多样性，针对不同的地电异常体的勘探，采取有效措施压制干扰，合理选择有效的勘探方法，是保证有效异常识别，能否探测到异常体响应的关键。
　　②目前数字电法仪的内置视电阻率计算程序一般是按半空间公式编制的，需要采用巷道影响校正方法，将从仪器读出的有巷道影响的视电阻率值转化为无巷道影响的全空间视电阻率值。
　　③断面测深技术在矿井勘探中的应用有别于地面上的电法勘探，尽管二者在原理和装置形式上有许多相同或相似之处，但实测地电异常规律存在明显差异，矿井直流电法勘探资料处理和解释中要充分考虑井下全空间效应和巷道影响等问题。
　　④为了研究井下巷道影响下的全空间电流场分布变化规律，采用计算机三维数值模拟方法是一种行之有效的方法。
　　参考文献：
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