基于三极装置的三维直流电法探水研究及应用

郭玉成

（山东能源鲁西矿业单县能源陈蛮庄煤矿，山东 菏泽 274300）

底板突水严重制约着煤矿的安全开采。为保证煤矿的安全开采，探测煤矿工作面底板岩层富水情况便显得尤为重要。三维直流电法是在工作面周围铺设电极和电缆，然后采用AMN 和MNB 三极装置进行数据采集，接下来对采集的数据进行反演，得到工作面底板三维数据体，最后结合水文地质条件，圈定底板岩层低阻异常区。本文以陈蛮庄煤矿3602 工作面为背景开展研究，利用基于三极AMN与MNB 装置的三维直流电法探查工作面底板富水情况，为矿井防治水工作提供指导。

1 研究区概况

1.1 工作面概况

陈蛮庄煤矿3602 工作面地面位于后石庄村以北，刘店池村以南，地面大部分为农田，周边无河流水渠。3602 工作面为3600 采区西翼近3 煤层露头工作面，该工作面井下位于3600 胶带上山、3600 轨道上山以西，3604 工作面以南，DF15 断层（落差0～20 m）保护煤柱东南，井田边界保护煤柱及3 煤层露头保护煤柱以北。

1.2 水文地质条件

根据矿方提供《山东省单县煤田陈蛮庄煤矿生产地质报告》中水文地质资料以及揭露钻孔后得到的地层柱状图可知，井田地层由老到新分别为奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系和第四系。

矿井含水层自上而下主要有新生界松散层孔隙含水层（组）、二叠系山西组3 煤层顶底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰、十下灰、十一灰岩溶裂隙含水层以及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。

矿井内隔水层主要有新生界松散层隔水层（组）、二叠系石盒子群隔水层（组）、3 煤层至三灰间隔水层（组）及17 煤层底板至奥灰间隔水层（组）。其中煤层底板至奥灰间隔水层矿井内7孔穿透，厚度43 m 左右，岩性主要是泥岩、粉砂岩及薄层灰岩，正常情况下能起到良好的隔水作用，但局部受断层影响而导致间距缩短，隔水层变薄，致使开采下组煤时奥灰水底鼓突水，对采煤构成威胁，是在矿井防治水工作中需要注意的地方。

2 三维直流电法布置

2.1 基本原理

基于煤层与岩石的电阻率之间存在的差异，三维直流电法通过采取合适的测量装置，在所给定的稳恒电流场下，得出直流电场在地下空间中的分布及变化的趋势。通过研究地下空间视电阻率的大小及变化规律推断地下空间分布情况，最后达到测深、找水、找矿和解决其他地质问题的目的[1]。

2.2 施工设计

三维直流电法测量电极沿3602 工作面环形布设，其位置始于导线点S9 附近，止于导线点E13附近，共布设电极79 个，轨道顺槽、胶运顺槽分别布设电极21 个、42 个，切眼位置施工16 个电极。每60 根电极设置1 测量站，共计实施2 站。具体如图1。

图1 3602 工作面三维直流电法布置图

2.3 工作方法技术

本次三维直流电法采用三极AMN 与MNB 装置[2]（图2），该装置记录点为MN 中点，测量断面为矩形。该装置具有采集数据点多，探测深度大，在深度方向上相比四级装置AMNB 分辨率更高，电阻率的横向变化对数据采集的质量影响小，更为稳定等优点。

图2 三极（MNB、AMN）观测示意图

具体工作方法为：

1）按照设计点位将电极布设在巷道中，点距10 m，并在巷道一帮喷写电极号。为减小接地电阻，电极埋设密实而无虚接，入地层深度不小于三分之二电极长度。

2）布设无穷远极。为了消除非无穷远极距情况下无穷远电极对采集数据的影响，需要满足无穷远极距测线距离至少大于等于5 倍AO 或BO 距[3]（AO 为供电电极A 与测量电极MN 中点的距离，BO 为供电电极B 与测量电极MN 中点的距离）。

3）利用RS232 连接主机与转换器，用导线连接A、M、N、B 四个接线柱，最后接通外高压电源。

4）开机检查各电极接地电阻，对接地电阻较大的电极，选择浇水或更换位置。

5）电极处理完成后，设置断面号、剖面层数（28层）、滚动数（28 个）等参数开始测量。

3 结果分析验证

经过三维直流电法反演处理后导出反演数据，利用三维可视化软件对数据进行成图处理，绘制三维数据体，得到顶底板不同方向的切片图。在绘制三维数据体之前，本文首先统一坐标系，经第79电极位置向轨道顺槽做垂线，交点作为坐标系原点，经坐标原点的轨道顺槽方向为X 轴的正方向，由轨道顺槽到胶运顺槽切眼巷道的方向为Y 轴的正方向，垂直顶板方向为Z轴的正方向。坐标系统确定后，本文绘制了3602 工作面三维数据体，并基于电阻率变化及范围的大小来确定工作面内异常区的分布情况。

本文图中电阻率的大小通过图片灰度的深浅来进行区分，以便得到更加清楚直观的分布情况图。图中电阻率低于20 Ω.m 的区域定义为低阻异常区（利用对数形式表示为电阻率对数值小于1.2 的区域，即图中灰度较深的区域）。通过图3 的3602工作面底板岩层视电阻率数据体可获取3602 工作面底板岩层视电阻率数据体具体分布情况。为了更加直观地体现异常体的分布，将电阻率低于20 Ω.m的区域单独显示绘制，得到3602 工作面底板视电阻率低阻异常体分布图，如图4。

图3 3602 工作面底板岩层视电阻率数据体

图4 3602 工作面底板视电阻率低阻异常体分布图

结合在不同的剖面下所得的底板视电阻率剖面图可以确定以下异常区位置：在X 方向120～220 m、Y 方向0～30 m、深度30～70 m 范围内出现低阻异常区；X 方向290～420 m、Y 方向0～30 m、深度10～60 m 范围内出现低阻异常区；X 方向300～360 m、Y 方向0～30 m、深度10～50 m 出现低阻区；在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度10～90 m范围内出现低阻区。可推断以上低阻区岩层内含水多，导电能力强，呈现低阻异常响应。

结合相关的地质、水文资料、钻探资料及图3、图4，根据电阻率大小和空间展布规律，绘制了3602 工作面低阻异常区分布图如图5。

图5 3602 工作面低阻异常区分布图

由图5 可知，利用三维直流电法探测圈定了4个低阻异常区，其中YC1 主要分布在轨道顺槽中300～350 m、Y 方向0～30 m、深度为30 m 范围内；低阻异常区YC2 主要分布在X 方向390～420 m、Y 方向0～100 m、深度0～90 m 范围内；低阻异常区YC3 主要分布在胶运顺槽X 方向300～400 m、Y 方向140～170 m 范围内；低阻异常区YC4 主要位于胶运顺槽X 方向120～220 m、Y 方向150～190 m、深度20～70 m 范围内。可推断以上区域由于受到DF19 断层的影响，造成局部区域内岩层含水量大，导电能力增强，从而呈现低阻异常响应。

通过三维直流电法进行探测后，有针对性地对圈定异常区位置进行钻孔验证。在对异常区YC1 的钻孔验证中，通过揭露钻孔发现该区域富水性强，揭露钻孔出水处涌水量为6 m3/h，钻孔验证情况与探查情况相吻合。

4 结论

三维直流电法探测技术可以有效地探查工作面底板富水情况，利用电阻率三维可视化软件可以圈定低阻异常区的位置，并通过钻探验证了该低阻异常区的准确性，进一步说明了三维直流电法探测技术具有很强的实用性和推广性。