徐 林, 楊生文, 樂俊波, 戴曉明, 江玉樂

(1.貴州煤田地球物理勘探有限責(zé)任公司,貴陽 550001; 2.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059)

貴州山區(qū)陡傾斜煤層分布于向斜側(cè)翼，一般屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕地貌，海拔高差大，陡傾斜煤層采空區(qū)充填狀態(tài)分為完全充水或泥、底部充水或泥-淺部未充填、完全未充填三類，其與圍巖具有電性差異。高密度電阻率法在陡傾斜煤層采空區(qū)探測中能快速和自動化采集數(shù)據(jù)，且在資料處理階段可對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正，是一種高效、高分辨率的電阻率勘探方法。

1 高密度電阻率法的方法原理

通過連個接地電極(A、B)在地面下施加穩(wěn)恒電流場I，通過測量電極(M、N)測量其電場強(qiáng)度，計(jì)算出連個測量電極之間的點(diǎn)位差ΔUMN。通過下式計(jì)算視電阻率ρS。

(1)

K值運(yùn)用A、B、M、N集合位置關(guān)系算出，如下式：

(2)

通過改變AB距離和MN距離大小測量計(jì)算出的視電阻率值能綜合反映地下電性不均勻體和地形起伏，利用其變化規(guī)律探測和發(fā)現(xiàn)地下的不均勻性，達(dá)到勘探隱伏礦產(chǎn)和解決其他地質(zhì)問題的目的。

2 工區(qū)概況

工區(qū)屬中高山侵蝕地貌、地形切割較深，測線布置區(qū)域最高高程和最低高程相對高差250m，地形起伏較大。地勢較低處地形坡度10°～20°，地勢較高處地形坡度較陡35°～65°。工區(qū)內(nèi)礦井有原NC煤礦、原XWT煤礦、原XN煤礦采掘系統(tǒng)、現(xiàn)XN煤礦采掘系統(tǒng)系統(tǒng)、原公社老窯及小煤窯。

工區(qū)地層為：①三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)：厚445～505m，主要含粉砂巖、泥巖互層，夾條帶狀灰?guī)r。②二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l): 均厚370m，由細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、黏土巖夾煤層組成，單層可采煤層厚度在0.8～2.5m。③第四系(Q)：厚0～15m，以亞黏土為主，夾有碎石，分布在地形低洼地帶，主要為坡積層和洪積層。

工區(qū)構(gòu)造:礦區(qū)位于格木底向斜北翼東段，位于格木底盆形向斜北東翼。礦山整體呈一單斜構(gòu)造，地層走向110°，傾向200°，傾角58°～63°，地層傾角大，局部倒轉(zhuǎn)。Fl斷層位于工區(qū)東部，地表斷層破碎帶明顯，為正斷層，斷層面向西傾斜，傾角75°左右，走向長度大于1.2km。

本次勘探探測圈定和分析拐點(diǎn)坐標(biāo)范圍內(nèi)200m以淺采空區(qū)分布范圍。

3 理論模型正反演實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)相鄰煤礦三側(cè)向電阻率測井曲線統(tǒng)計(jì)，煤系地層內(nèi)細(xì)砂巖平均視電阻率值250Ω·m、粉砂巖平均視電阻率值200Ω·m、粉砂質(zhì)泥巖平均視電阻率值150Ω·m、泥巖平均視電阻率值80Ω·m、煤層平均視電阻率值400Ω·m。

根據(jù)各巖性視電阻率值并充分考慮采空區(qū)的垮塌狀態(tài)大于實(shí)際采空區(qū)規(guī)模，建立模型如圖1。設(shè)煤系地層平均電阻率值200Ω·m，地層傾角45°；Ⅰ、Ⅱ號模型底×高為20m×60m、中心埋深80m、傾斜角度為45°，模擬未充填或半充填采空區(qū)，電阻率值為600Ω·m，高于煤層平均視電阻率值。Ⅲ號模型底×高為20m×60m、中心埋深140m、傾斜角度為45°，模擬充水或泥采空區(qū)，電阻率值為20Ω·m，低于泥巖平均視電阻率值；Ⅳ號模型模擬斷層破碎帶及充水或泥采空區(qū)，寬度20m，傾角60°，電阻率值為20Ω·m，小于泥巖平均視電阻率值。地面設(shè)計(jì)測線長度為1 000m，采用溫納裝置，設(shè)定電極數(shù)為101，電極距為10m。

圖2為模型電阻率斷面圖。該剖面電阻率值最小值11.73Ω·m，最大值407.9Ω·m，均低于實(shí)際模型電阻率值最小值和最大值。Ⅰ、Ⅱ號高阻模型有明顯反映，異常電阻率值大于250Ω·m，但異常中心位置位于模型頂部且垂向小于實(shí)際模型規(guī)模，Ⅰ號異常走向傾角小于45°，Ⅱ號異常傾向不明顯。Ⅲ號低阻模型反映明顯，電阻率值小于150Ω·m，異常垂向范圍與實(shí)際模型基本吻合，橫向大于實(shí)際模型規(guī)模，異常中心位置相較于實(shí)際模型位置在垂向偏上，異常傾向基本為45°。Ⅱ、Ⅲ號異常體整體與實(shí)際模型整體規(guī)?；疽恢?，傾角接近45°，但兩個異常體之間高低阻漸變。Ⅳ號低阻異常體可以清晰看出斷層或采空區(qū)呈傾斜狀向下延伸，電阻率值小于160Ω·m，其傾斜角度稍大于實(shí)際模型角度，其范圍由淺至深呈增大趨勢，但深部無明顯低阻反映。在埋深30m左右出現(xiàn)一個層狀低阻假異常，在650～680m出現(xiàn)一個高阻垂向團(tuán)塊狀假異常，在680～720m出現(xiàn)一個低阻垂向團(tuán)塊狀假異常，在770～870m出現(xiàn)一個向大號傾斜的低阻假異常。

圖1 斷層及采空區(qū)組合模型地電斷面圖Fig 1 Geoelectric section view of fault and mined-out area combination model

圖2 斷層及采空區(qū)組合模型電阻率斷面圖Fig 2 Fault and mined-out area combination model resistivity profile

高密度電阻率法反演剖面電阻率值范圍與實(shí)際模型電阻率值有差異，其反演的電阻率值受背景電阻率值影響較大，其異常只是相對背景電阻率值的高低阻異常。高密度電阻率法探測到的傾斜煤系地層采空區(qū)實(shí)際位置和空間分布范圍及形態(tài)與實(shí)際有一定差異，在充分結(jié)合地質(zhì)資料的情況下，可以分析出采空區(qū)的形態(tài)和位置。高密度電阻率法在探測過程中會受到電磁耦合影響，反演過程中會受到插值邊界效應(yīng)影響，出現(xiàn)虛假異常，但假異常的走向形態(tài)與實(shí)際地層及異常走向上有差別，可充分結(jié)合地層和目標(biāo)地質(zhì)體產(chǎn)狀加以甄別。高密度電阻率法在探測斷層或往深部延伸的采空區(qū)異常時，淺部分辨率好，深部分辨率較低甚至異常消失，其原因與異常體規(guī)模大小及體積效應(yīng)影響有關(guān)；異常傾向大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體走向，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。

4 高密度電阻率法勘探成果及分析

本次高密度電阻率法勘探按不規(guī)則測網(wǎng)布置24條測線，測線線距為80～170m，點(diǎn)距10m。采用斯倫貝謝裝置，AB/2=15、25、35～405m；MN/2=5、15、25、35、45m。

4.1 剖面成果分析

圖3為3線高密度電阻率法綜合剖面圖。在小號至112m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 344～1 225m的P3l地層有電阻率值小于20Ω·m相對低阻異常發(fā)育，為已知原NC煤礦采掘C15、C18及C20號煤層引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。140m至大號點(diǎn)位間、標(biāo)高從地表至1200m為相對低阻，但點(diǎn)號200m有河流經(jīng)過，推斷該段為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育或破碎富水范圍。

圖3 高密度電阻率法勘探3線綜合剖面圖Fig3 Multi-electrode resistivity method for exploration of 3-line comprehensive profile

圖4為7線高密度電阻率法綜合剖面圖。在小號至64m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 372～1 250m的T1f、P3l地層有團(tuán)塊狀相對高阻異常發(fā)育，電阻率值大于300Ω·m，為已知現(xiàn)XN煤礦采掘C1號煤層引起，推斷為煤層采動未填充或半填充影響范圍。在97～199m點(diǎn)位、標(biāo)高從1 372～1 246m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于80Ω·m，為原公社煤礦采掘C15、C18、C20、C26號煤引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在223～262m、標(biāo)高從1 340～1 301m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于20Ω·m，地表調(diào)查為老窯采掘引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。

圖4 高密度電阻率法勘探7線綜合剖面圖Fig4 Multi-electrode resistivity method for exploration of 7-line comprehensive profile

圖5 高密度電阻率法勘探16線綜合剖面圖Fig.5 Multi-electrode resistivity method for exploration of 16-line comprehensive profile

圖5為16線高密度電阻率法綜合剖面圖。在43～171m、標(biāo)高從1 374～1 271m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于12Ω·m，為原XN煤礦采掘系統(tǒng)經(jīng)過區(qū)域，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在204～285m、標(biāo)高從1 363～1 312m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于12Ω·m，為原XN煤礦采掘系統(tǒng)經(jīng)過區(qū)域，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。在52～83m、標(biāo)高從1 428～1 394m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對高阻異常發(fā)育，電阻率值大于500Ω·m，調(diào)查為老窯采掘引起，推斷為煤層采動未填充或半填充影響范圍。

如圖6。剖面在150m點(diǎn)位附近斜交F1斷層，所以深部低阻的斷層破碎帶發(fā)育范圍較寬。在288～346m、標(biāo)高從1 377～1 332m的P3l地層有團(tuán)塊狀相對低阻異常發(fā)育，電阻率值小于30Ω·m，為原XWT煤礦采掘C61、C65、C69引起，推斷為煤層采動充水或泥影響范圍。

4.2 推斷采空區(qū)分布

結(jié)合已知采掘工程資料及地表老窯調(diào)查資料，對各條剖面高低阻異常進(jìn)行判斷解釋，圈定采空區(qū)分布圖如圖7，其基本反映了工區(qū)的采空區(qū)分布情況，為礦井防治水及地質(zhì)災(zāi)害成因分析論證提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

圖6 高密度電阻率法勘探23線綜合剖面圖Fig.6 Multi-electrode resistivity method for exploration of 23-line comprehensive profile

高密度電阻率法在實(shí)際應(yīng)用中其高低阻異常發(fā)育范圍基本上能夠反映煤層采掘情況，但其異常規(guī)模與大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體規(guī)模，其形態(tài)多為橢圓狀或團(tuán)塊狀，不同于采空區(qū)的長條形狀；探測多層較近煤層采空區(qū)時，不能區(qū)分采空區(qū)屬于哪一開采煤層；探測斷層破碎帶時，異常深部寬度較大，深部分辨率較低。

5 結(jié)論

通過高密度電阻率法的模型模擬試驗(yàn)及在實(shí)際勘探中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

①高密度電阻率法反演的電阻率值受背景電阻率值影響較大，其異常只是相對背景電阻率值的高低阻異常，其高低阻異常發(fā)育范圍基本上能夠反映煤層采掘情況。

圖7 推斷采空區(qū)分布圖Fig.7 Inferred mined-out area distribution map

②高密度電阻率法探測到的傾斜煤系地層采空區(qū)實(shí)際位置和空間分布范圍及形態(tài)與實(shí)際有一定差異，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料，分析采空區(qū)的形態(tài)和位置。

③高密度電阻率法在探測過程中會受到電磁耦合影響，反演過程中會受到插值邊界效應(yīng)影響，從而出現(xiàn)虛假異常，但假異常的走向形態(tài)與實(shí)際地層及異常走向上有差異，可充分結(jié)合地質(zhì)資料、采掘工程資料及地表老窯調(diào)查資料進(jìn)行解釋，排除虛假異常。

④密度電阻率法在探測斷層或往深部延伸的采空區(qū)異常時，淺部分辨率好，深部分辨率較低，異常體傾向大于實(shí)際目標(biāo)地質(zhì)體走向，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。

⑤受體積效應(yīng)影響，異常響應(yīng)范圍往往大于實(shí)際采空區(qū)范圍，相隔較近的采空區(qū)充填狀態(tài)一致時僅能探測到其多個采空區(qū)整體異常。