高密度电阻率法在松散层厚度探测中的应用

侯彦威

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

高密度电阻率法在松散层厚度探测中的应用

侯彦威*

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

陕北侏罗纪煤田煤层倾角小、埋藏浅，地表松散层厚则煤层顶板基岩薄，工作面回采过程中有溃砂危险。以韩家湾煤矿为例，采用高密度电阻率法对地表松散砂层厚度进行了探测，总结了施工和数据处理方法，对具有相似地质情况的煤矿具有借鉴意义。

高密度电阻率法；煤矿；松散层；视电阻率

陕北神府矿区煤层埋藏较浅，地表松散风积砂层偏厚，但具有不均匀性，导致煤层顶板基岩变薄。井下开采期间，工作面顶板基岩冒落形成的裂隙为溃砂提供了通道，若松散层含水，则极易形成涌水溃砂事故，严重影响工作面回采和人身安全。采用横纵向分辨率较高的高密度电阻率法进行勘探，结合已知地质资料对物探成果进行了综合分析与解释，可以完成松散层厚度的推断，预测预报溃砂危险区。

1　基本原理及探测方法

1.1基本原理

高密度电阻率法以岩土体的电性差异为基础,在施加外电场的作用下,研究地下传导电流的变化分布规律,观测岩土体的电性变化以达到勘探目的[1]，与常规电阻率法相比,具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、分辨率高、生产效率高等特点[2]。它既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化,同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况,具备电剖面法和电测深法2种方法的综合探测能力。其电阻率的求取是通过给AB极供电流I,利用MN测量电位差∇V，并通过下式求得测点处的视电阻率值:

式中：K——装置系数,其中：

AM、AN、BM、BN——电极距[3]。

1.2探测方法

高密度电阻率法勘探的装置多达十余种，施工效率较高的是变断面连续滚动扫描测量的三极A-MN与MN-B装置，电极排列如图1所示，图中M、N为测量电极，A或B为供电电极[4]。

图1　三极测量装置

工作时，无穷远电极B或A放置的距离为最大电极距的5倍，测量断面为矩形，测量时，测量电极M、N不动，A-MN装置供电电极A逐点向左移动，得到一条滚动线，接着A、M、N同时向右移动一个电极，然后M、N不动，A再逐点向左移动，又得到另一条滚动线，连续滚动下去，得到矩形断面；MN-B装置与A-MN装置的供电电极滚动方式一样，所不同的是方向相反。

2　数据处理方法

高密度电阻率数据处理工作一般分预处理、处理和处理结果图示三步进行。首先，将野外原始观测数据传输到微机中，根据需要启动相应的处理流程进行处理；其次，对地质不均匀体、工业用电等的影响，采用中值空间滤波的方法加以虑除，提高数据的信噪比；最后得到反演视电阻率拟断面图，并对其进行地质解释的过程。高密度电阻率法的测量数据在处理方法上采用佐迪方法进行二维反演。佐迪法是基于施伦贝尔和温纳法的解释而提出的。它的原理是通过不断调整初始模型参数使正演曲线与实际曲线之差达到最小，由此所得的最终模型参数作为反演结果，得到的模型也就作为实际测量所得到的地质模型。

视电阻率拟断面图，可形象、直观地反映各测试剖面的地电断面电性展布趋势。通过定性分析可确定地下岩土体的电阻率分布，达到定量推断地电断面，最终确定松散层厚度起伏形态。

3　实际应用

3.1测区地球物理特征

探测涉及的主要地层为松散砂层和煤系地层，由测井资料知：松散砂层的电阻率一般为100～500Ω·m，在地表较为干燥的情况下达几百甚至上千欧姆米；而煤层以上的侏罗系直罗组上部为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩互层电阻率比较低，一般为40Ω·m左右，下部为粗中粒长石砂岩，电阻率一般为70～140Ω·m；煤层及煤层顶底板附近的电阻率较高，一般为300～1300Ω·m。这种纵向电性差异为以导电性差异为基础的高密度电阻率法勘探提供了良好的物性基础。同时，地层倾角较小，成层状分布，横向上电性分布相对均一。应用高密度电阻率法探测技术采集两电极之间的电位差，转换为视电阻率，进行半定性和定量处理和反演计算，可以完成松散层位的标定，这就是采用高密度电阻率法探测松散层的地球物理前提。

3.2工作布置

为探查测区内松散层的分布情况，结合现场地形、地质情况在该区内沿即将生产的工作面布置测线若干条，测线间距40m，测点间距10m，遇较大冲沟，则测线不跨沟，由两侧重新布线。采用三极工作装置，保证剖面数不小于20个剖面，无穷远不小于1000m。

3.3资料处理与成果分析

因地表存在风积砂和局部基岩出露，电性分布不均匀，可视为浅表不均匀体，对数据有一定影响。另外，局部地形突变位置，会引起地层中电场的分布，是原始数据发生突变。在视电阻率拟断面图中，受浅部不均匀体影响位置出现近45°的“八字”、“挂面条”等畸变现象。采用圆滑处理和中值空间滤波的方法，对这些现象进行校正处理，以恢复实测数据断面的原有形态。

经过处理并进行反演计算后的视电阻率数据，绘制成果断面如图2所示（为与J42号钻孔相对应，本文选取10线数据加以说明），横坐标上轴为测点布置、编号及地表起伏形态，下轴为测线横向距离（单位：m），纵坐标为高程（单位：m）。

图2　反演视电阻率拟断面图

由图2可见，煤层近水平发育，地形起伏较大，小号测点端煤层埋藏较浅，如0号测点和16、18号测点处，最浅约为60m；大号测点端煤层埋藏偏深，最深约为90m。反演后的浅部视电阻率值较大，特别是存在松散砂层的区域，最大达600Ω·m，等值线呈密集状态分布；向下受风化岩影响，视电阻率值突然降低，随进入含煤地层，视电阻率值又逐渐增大；在82～90号测点之间基岩出露，视电阻率值明显小于砂层；此种视电阻率变化特征与地层电性较吻合。据此推断松散砂层为底界为浅部视电阻率值大于150Ω·m的区域，即图中黑色填充区域，最小厚度0m，位于基岩出露区域的边界周围，最大厚度达20m，结果与10号测点处的J42号钻孔揭露松散层厚度相吻合。

4　结论

（1）地表以砂层为主的松散层与下伏风化基岩、含煤地层，在电性上存在明显的差异，选择高密度电阻率法进行探测，并采用中值空间滤波对数据进行预处理，采用佐迪方法进行二维反演，对松散层厚度进行了准确的定位，为煤矿地质工作者提供了直观的成果图件，可以作为工作面设计、回采和巷道掘进前的参考资料，对具有涌水溃砂危险区段提前采取措施。

（2）根据探测结果，高密度电阻率法具有很好的分层效果，在地质情况相似的矿区和类似电性差异较大的地区，可以选用该方法进行探测。

[1]谭延玲,孙海民,乔丽.高密度电阻率法在工程勘察中的应用[J].黑龙江水利科技,2006(4):179-180.

[2]刘国兴.电法勘探原理与方法[M].地质出版社,2005.

[3] 岳建华,刘树才.矿井直流电法勘探[M].中国矿业大学出版社，2000.

[4]牟平,霍军鹏,等.应用高密度电阻率法探测顶板基岩含水层厚度[J].勘探地球物理进展,2009(8):297-298.

P631.3

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1004-5716(2015)07-0109-03

2014-11-30

侯彦威（1983-），男（汉族），河南商丘人，助理研究员，现从事煤矿水文地质电磁法勘探技术的研究工作。