煤底板灰岩赋水性电阻率法定量探测评价试验研究

国家重点基础研究发展计划“973”基金资助项目（2006CB202209），国家自然科学基金仪器专项（50727401），国家‘十一五’科技支撑项目（2007BAK28B03），北京市教委科技资助项目（KM200810016013, KM200700003006）

作者简介：朱国维 (1964-)，男，安徽金寨人，教授，博士，主要从事矿井物探技术与装备的研究，TEL:010-********,

E-mail: zgw@https://www.wendangku.net/doc/722273488.html,

A 组煤底板灰岩赋水性电阻率法探测评价试验研究

朱国维1 王怀秀2 王起宏3 张腾1 万雪林1 童婷婷1 陶萍1

(1．中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083;2．北京建筑工程学院电气与信息工程学院，

北京，100044;3．淮南矿业集团公司谢一矿, 安徽 淮南 232001)

摘要: 为了得出煤层底板灰岩赋水性电阻率评定分级指标，采用试样测试与现场试验相结合的手段，先对谢一矿42采区A 组煤底板主要含水C 3 3灰岩层中岩石与水在实验室测定了不同含水饱和度灰岩的电阻率分布，后在－660m 放水巷进行了高密度电法勘探与钻孔观测对比试验。结果表明：灰岩中水的电阻率小于30Ω·m ，干燥灰岩电阻率较高，灰岩含水后电阻率急剧下降，不同含水饱和度灰岩的电性差异明显；在高密度电法探测圈定的含水区和富水区布置钻孔，其钻孔探放水测试水文参数验证了物探结果的有效性，有效的指导了－567m 放水巷探放水工程设计，为实现矿井电法勘探定性甚至定量解释提供了有效的借鉴。 关键词: 高密度电法；电阻率；灰岩赋水性；评定分级；探放水

Experimental study on prospecting karst water of limestone seams in

group A floor with electrical resistivity method ZHU Guowei 1

WANG Huaixiu 2 WANG Qihong 3 ZHANG Teng 1 WAN Xuelin 1 TONG Tingting 1

TAO Ping 1

(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, CUMT, Beijing, 100083, China; 2. School of

Electrical and Infomation Engineering ，Beijing Institute of Civil Engineering And

Architecture,Beijing,100044,China; 3. Huainan Coal Mining Group ，XieYi Mine, Huainan ，Anhui 232001，China)

Abstract ：In order to classify guideline of the resistivity of the floor limestone seams ’s bear water ，the adopted method is samples test and Construction Locale test ，The limestone and water samples were sampled from the chief water-bearing C3 3limestone seams in group A floor, No.42 mining area, XieYi Mine, and the resistivity distributions of the water and limestone samples were tested under the different water saturations .Also, the field survey results of high density electricity exploration in the -660m water-release tunnel were compared with the drilling hydrological data. The results shows that the resistivity of limestone water is not normally more than 30Ω·m, and the resistivity of dry limestone is very high, but the resistivity will quickly decrease when the limestone bears water and the electricity difference is clear corresponding to different water saturations. The boreholes were drilled in the water-contained or rich water section which were determined with high density electricity exploration in the -567m water-release tunnel. The hydrological parameters were tested from the drills which in turn testifies the validity of the electricity exploration results. It is a beneficial attempt to make a great breakthrough on qualitative and even quantitative interpretation of mine electricity exploration.

Key words ： high density electricity, resistivity, karst water of limestone, classification, explore and release water

我国东部矿区煤炭资源紧缺，解放受底板灰岩水威胁的A 组煤是东部一些老矿井求得生

存与发展的唯一途径，但由于A组煤距下伏太原组含水灰岩很近，并且太灰含水量大、水压高[1]，其开采具有很高的突水危险性，因此，A组煤开采必须先查明底板灰岩含水性，根据底板灰岩含水状况采取针对性工程措施来确保其采掘的安全高效[2]。

地球物理勘探是矿井地质工作主要手段之一，而电法勘探[3-4]则是勘察矿井含水层及其赋水性的敏感性方法，被广泛用于砂岩水、老塘水及灰岩岩溶水等的勘探中[5－6]，但目前使用电法勘探矿井水其成果资料解释多是不定性描述，如‘低阻异常区’等，至于低阻区的赋水状况究竟如何，则不进一步明确，使得矿方无法在物探资料中得到更确切的信息来更好的辅助矿井设计和指导安全生产。

淮南矿业集团谢一矿是淮南煤田的老矿井，现在主要开采A组煤，随着开采深度的不断

增加，矿区内－480m以下A组煤下伏太原组灰岩的赋水性主要表现为C1

3和C2

3

无水或贫水,

主要水量集中在C3

3上、C3

3

下两层灰岩，灰岩层赋水性不均匀、局部富水且水压高，这给防治

水疏水降压工程带来极大难度，目前，矿区北翼42采区-480m以下水平采用在C1

3

灰岩内布置放水巷，等间距布置探放水钻孔进行灰岩水的探查和疏放，这样既可能漏查某些隐伏水体形成安全隐患，又会有较多钻孔打在无水区造成时间与经济浪费。为确保探放水工程的有效性，选择矿区北翼42采区－567m与－660m两条放水巷，开展电阻率法探测底板灰岩赋水性的试验研究，通过实验室对灰岩水及含水灰岩的电阻率测试确定灰岩含水性判别指标，结合现场实测电阻率断面数据评价下伏灰岩赋水性，利用物探成果指导钻探抽放水工程，抽放水结果证实了该探测评判方法的有效性。

1 实验室水样与岩样电阻率测试

岩层与岩层之间以及岩层不同含水性态下其电阻率差异是在煤矿井下巷道中开展电法

勘探的物理前提。为了解矿区A组煤底板C3

3上与C3

3

下灰岩的赋水性及其电阻率分布关系，通

过采集目的层岩石与水样品，利用实验室设备条件开展水与不同饱和度灰岩电阻率测试。

1.1测试方法研究

岩石与水样品的电阻率测试需要利用特制的设备装置来完成，由于样品尺度有限，往往会造成较大的测量误差，因此，测试前，开展了较为细致的方法与装备试验。分别进行了小四极法、铜箍耦合法和高精度万用表测量法试验，通过试验选择改进耦合方式的小四极法作为实验室内岩石与水样电阻率的精细测试方法，万用表测量法作为较大量岩石样品测试的方法[7]。

岩样电阻率小四极法测试有将AM和NB极分别插在两端的硫酸铜饱和溶液面团里形成四极装置，也有采用铜箍耦合形成对称四极装置的，但这些方法的测量稳定性、装置可变性以及耦合效果均存在不足。我们通过试验形成了改进耦合方式的小四极法测量法，采用纱布贴于岩石两端并浸润到饱和硫酸铜溶液、供电铜电极也插入饱和硫酸铜溶液中的方式来增强供电电极（A、B极）与岩样端面的耦合效果，测量电极M、N与岩石的耦合也采用小型极细的不极化电极与岩石紧密接触，其装置如图1所示，此装置使岩石与电极实现良性耦合，且

可以根据测试要求改变装置参数，在不同的装置参数下重复进行测量，从而增加了测量的准确性，并能处理异型岩芯，经实际测试证明效果很好。

图1 改进耦合方式的小四极法岩石样品测试装置示意图

若样品测量量较大或需要在实验室外的现场测试，精度要求不是很高时，可使用万用表测量法，如图2所示。

图2 万用表法测定岩心电阻率示意图

测量时用面粉与过饱和硫酸铜溶液搅拌成糊状面团，作为铜环与标本接触介质，减少耦合电阻，提高观测精度。当标本电阻很大时，可用兆欧表来读。

矿井水样电阻率的测定也可以用测定岩石电阻率的小四极法和万用表来测量，只是需要一个专门来盛装水样的玻璃管，其一端用铜封堵，另一端有一活动铜塞，形成供电AB极，玻璃筒中间间隔一段距离有两个插电极的小孔用于测量电极MN的布设。

1.2 底板灰岩水及岩石电阻率的测定

对在42采区-660m灰岩放水巷获取的水样进行了测定，测试结果表明，灰岩水的电阻率一般在10-1～50Ω·m范围内，其中部分水样的电阻率值为：样品2（－660m放水巷427放水孔6、7）：18.0Ω·m；样品3（－660m放水巷427放水孔2）：25.5Ω·m；样品4（－660m放水巷427放水孔4）：18.5Ω·m ；样品5（660m放水巷427放水孔5）：16.3Ω·m。在采集灰岩水样品时要注意，在打开放水开关后要先放净管内存水再取样，否则会因管存水含有大量铁锈而影响测定结果，例如，样品4（－660m放水孔4）中放出的管存水，电阻率为：3.20Ω·m。

对谢一矿北翼－567m 、－660m 灰岩放水巷采集到的底板岩石样品进行了不同饱和状态下的电阻率测定，例如C 33上

灰岩样品XH3－2样品，其干燥态测定值约为：5541.0Ω·m ，含水后电阻率大幅度下降，且不同含水饱和度时电阻率反比例减少，在饱含水状态下电阻率值为：49.5Ω·m ，由此测定值可见：岩（矿）石的电阻率随含水饱和度变化而变化，并且变化十分明显。从数组C 33

灰岩和一组砂岩样品的不同饱和度下电阻率测试数据分布情况看，干燥岩石的电阻率很大，而样品含水后电阻率急剧下降，含水的C 33

灰岩电阻率分布多在：20～100Ω·m 范围内变化。 2 灰岩赋水性高密度电法勘探

高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的，就其原理而言，它和常规电阻率法完全相同，但由于它采用了多电极高密度一次布极，并实现了数据采集自动化，因此相对常规电阻率法来说，它具有采集数据量大、成本低、效率高等优点[8]

，且具有较强的抑制干扰和分解复合异常的能力。 2.1 高密度电法基本原理

矿井高密度直流电阻率法是以探测目标体与围岩之间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。其电场分布满足以下偏微分方程:

02=?=U gradU div

这便是拉普拉斯方程。其在直角坐标系（x ，y ，z ）中表达式为：

022222

2=??+??+??z

U

y U x U 在均匀半无限介质条件下，人工主动源电场勘探一般采用四极法，即A 、B 两供电电极，M 、N 两测量电极，所测视电阻率表达式：

I

U K

MN

?=ρ 式中)1111(2BN

BM AN AM K +--=π

为装置系数，MN U ?为测量电极M 、N 间的电

位差，I 为供电电流。 2.2 高密度电法观测系统

高密度电阻率法在一条测线上通常要布设数十根至数百根电极，电极多等间距埋设，利用仪器控制其电极转换开关,按设置的系统参数进行电极选排，并观测记录各种电极装置下的测量数据。

矿井高密度电阻率法在一条观测剖面上通常要等间距布设60根甚至更多的电极来进行数据采集，采集中采用的是温纳三电位电极系，在可以布设无穷远极时，还可以采用温纳联

合三极装置。图3中a 为温纳对称四极装置(AMNB)，称为α排列； b 为偶极装置(ABMN)，称为β排列；c 为微分装置（AMBN ），称为γ排列；d 为联合三极装置，可以是A 和B 为无穷远极两种方式。从装置形式上看，矿井高密度电阻率法和其他常规的矿井电阻率法没有多大的差异，他们的基本原理相同，且都是以研究巷道周围的岩石电阻率变化为基础。

图3 矿井高密度电阻率法的装置形式

三电位电极系是将等间距的对称四极、偶极及微分装置按一定方式组合后所构成的一种测量系统，该系统在实际测量时，只须利用电极转换开关便可将每四个相邻电极进行一次组合，从而在一个测点上便可获得三种电极排列的测量参数。三电位电极系中，当点距为a 时，其极距的设定满足下列关系式：z ＝n·a （n ＝1、2、3……15），其中n 为隔离系数。三种装置的视电阻率及其相互关系表达式为：

()

?

???

??

????=?=?=βα

γγγγα

βββγβα

ααρρρπρρρρπρρρρπρs s s s s s s s s s s s I U a I U a I U a

－＝；－＝；＋＝；32132363

2312

2.3 现场测试与探放水实验分析 （1） 探测区A 组煤顶底板岩层

根据谢一矿42采区A 组煤顶底板岩层实际接露状况，结合矿区A 组煤顶底板分布，获得A 组煤顶底板岩层及厚度分布见表1。灰岩放水巷位于C 31

灰岩层中，巷道底板距C 3 3上

垂直距离为10～17m ，距C 3 3

下

含水灰岩层垂直距离为22～32m 左右。

表1 谢一矿42采区A组煤顶底板岩性及厚度分布

名称/岩性厚度（m）名称/岩性厚度（m）名称/岩性厚度（m）砂岩夹页岩34．5 细砂岩 4.0 C32灰岩3．0 泥页岩13．7 A11．6 泥岩2．0 细砂岩 6 砂质泥岩 2.0 C33上灰岩7．0 砂质泥岩 4.0 砂岩 6.0 细砂泥岩互层5．0 A3 3.0 砂质泥岩 4.0 C33下灰岩10．2 砂质泥岩 1.0 泥岩 5.0

灰岩与砂、泥岩

互层>50

细砂岩 4.0 C31灰岩 2.6

A2 0.5 粉砂岩4．6

（2）探测设计与测线布置

此次工作是在42采区－660m灰岩放水巷已经按常规探放水要求布置施工了三组探放水钻孔，并对各钻孔进行了水量与水压测量，但未实施放水；－567m灰岩放水巷刚掘进完工，尚未设计施工探放水钻孔。为探索利用高密度电法勘探查明A组煤底板下伏灰岩赋水性，探测工作首先利用－660m放水巷布置高密度电法勘探测线（如图4），通过对实测视电阻率数据进行处理分析，将探测范围内探放水钻孔目的层的电阻率分布与探放水参数（水量等）进行对比(表2)，同时结合实验室C33含水灰岩层的水样与岩样（不同饱和度下）电阻率测试结果，获得底板灰岩层赋水性电阻率评定分级指标如表3。

图4 北翼－567m、－660m放水巷物探测线布置图

表2 -660m 探放水巷钻孔水文参数与电阻率分布对比表

表3 底板C 33灰岩层赋水性电阻率评定分级

含水饱和度 <5% 5～30% 30～80% >80% 电阻率(Ω·m) >103～105

100～300

50～100 <60 赋水性等级 Ⅲ（无水） Ⅱ（部分含水） Ⅰ（富水） 抽放水量

<1 m 3/h

1～5 m 3/h

>5 m 3/h

表3中给出A 组煤底板C 33

含水灰岩层不同含水饱和度的电阻率分布与赋水性分级，实验室测试与现场实测数据对比分析认为，灰岩层含水饱和度<5%时，岩层基本上处于自然埋藏干燥状态，电阻率较高；含水饱和度在5～30%时，电阻率分布在100～300Ω·m ，岩层表现为一定程度的潮湿但对于防治水来说可认为是无水，这些部位抽放水量一般小于1 m 3

/h ；

含水饱和度达到30～80%时，灰岩层部分含水，其电阻率分布在50～100Ω·m ，抽放水钻孔抽放水量在1～5 m 3

/h 左右；当含水饱和度达到>80%时，灰岩层已接近或达到饱和含水，其电阻率分布多在50～60Ω·m 以下，这是灰岩层富水区，钻孔抽放水量多>5 m 3

/h ，有时可达数十m 3

/h 。

－660m 放水巷物探与钻探对比实验之后，2007年12月1～3日在-567m 灰岩放水巷放水钻孔施工之前进行了该巷道的高密度电法勘探。其施工设计与措施和－660m 放水巷测线一样，装置极距为4m ，探测测线长度约236m ，如图4。施工时，为了确保采集到高品质的数据，在两条测线均采取了一些较为有效的技术措施，主要包括:(1) 尽可能减少噪声干扰，对一些采掘电气设备进行关停，移开或避开巷道内金属设备与器件，同时在采集时随深度增大而适当加大供电电压，以增强电场强度，压制干扰,提高实测数据的信噪比；(2) 在探测范围内按设计参数布设测点，各测点处需清理碎石浮渣必要时打浅孔，然后在孔内填塞饱和盐水黄泥, 用锡纸包裹电极然后打入孔中，以确保电极嵌入底板完整岩层并接地良好。测试前，逐一检测每个电极接地电阻，对接地电阻高、耦合不良的，再使用饱和盐水浇灌电极处，直至

序号 孔 名 孔口标高 终孔层位 C 33电阻率值

(Ω·m) 终孔水量（m 3/h ）

终孔水 压(MPa) 1 427放1 -656.666 C 33下 <40～60 5.5 1.41 2 427放2 -656.79 C 33下 <30～50 25.44 1.52 3 427放3 -656.796 C 33下 <30～40 63.6 1.6 4 427放4 -656.89 C 33下 <50～60 14.7 2.9 5 427放5 -656.99 C 33下 >120～150 0.69 2.8 6 427放6 -656.924 C 33下 >60～80 1.3 2.2 7

427放7

-657.924

C 33下

>100～150

0.72

2.42

电极良性接地。(3) 加强重复测试与多方法观测，随时复查疑点数据，确保实测数据的精度和可靠性。

（3） 数据处理与分析

对－567m 放水巷实测数据进行预处理和井巷条件下电阻率校正[9]

，利用Surfer 软件绘制视电阻率等值线图，利用反演软件进行反演成像，即可得到各种观测装置下视电阻率地电断面。这里选择温纳对称四极装置测试数据进行说明，图5为－567m 放水巷温纳法测试视电阻率等值线图及其反演结果图。

（a ）视电阻率等值线图及探放水钻孔布置

（b ）视电阻率反演剖面图 图5 温纳对称四极法勘探成果图

图5中显示：沿测线方向，巷道底板表层的视电阻率在10～100Ω·m 范围内波动变化，局部表现为低阻，经调查为巷道底板表层（表面集水等）影响所至。向下电阻值逐渐升高，形成一个相对高阻层，此高阻层应为底板下伏的粉砂岩、C 32

灰岩与泥岩段；往深部为C 33

灰岩段，该段电阻率分布变化较大，形成不均匀变化的电性层，在测线北端深部发育一相对富含水低阻区，其电阻率<50～60Ω·m ，应为C 33下

灰岩含水，此处圈定为1号富水区，富水等级Ⅰ，如图5(a)左下方。在视电阻率等值线图上测线中部似有一相对低阻区，电阻率值在50～100Ω·m 范围，经反演后该区则表现为相对高阻（图5(b)中部），所以不能判定为低阻富水区，只能属于部分含水，富水等级Ⅱ。探测剖面底部电阻率也呈现为相对低阻，阻值分布于40～100Ω·m 范围内，可能为受深部太灰含水层C 311

等影响。

根据探测结果进行－567m 放水巷探放水钻孔设计，在探测测线范围内北侧富水区布置

北南

北南

1

放2

放3

放4放5放号富水区

1

两个钻孔，在中部含水区布置一个钻孔，为验证探测结果的可靠性，在测线南侧也布置两个钻孔，共施工5个钻孔，其钻孔位置及孔名如图4、图5。各钻孔施工后进行放水试验，各放水孔实测水文参数统计如表4。

表4 北翼-567m 放水孔参数统计表 对比－567m 放水巷探测段施工的5个放水孔水文观测数据（表4）与图5电法勘探剖面，可见探测剖面北端放4孔正好穿过电阻率最低的1号富水区，其终孔出水量达33.4m 3

/h ，放5孔在1号富水区北边缘，终孔出水量为3.8m 3

/h ，说明该区饱和富水，且富水区向北缘形成收敛趋势。位于含水区的放3孔终孔出水量为1.42m 3

/h ，而位于南侧的放1、放2孔基本无水，电法探测评定结论和探放水结果吻合较好。

4 结论

随着矿井开采的发展，A 组煤成为我国东部矿区的主要资源量，开采受水威胁的A 组煤其防治水工作是矿井安全生产的头等大事，如何查明煤层底板下伏灰岩的赋水性，是安全高效矿井建设中矿井地质的首要任务，利用42采区A 组煤底板灰岩－567m 、－660m 放水巷开展了高密度电法探测底板灰岩赋水性的对比试验研究，取得如下几点认识：

（1） 我国东部一些大型煤田A 组煤底板灰岩具有强富水性，随着开采深度的增加，底板灰岩的赋水性变得复杂，呈现出其富水不均一，局部富水，水压高等特点，矿井生产单纯依靠钻探进行探放水，已不能保证准确、完全地探到隐伏水体，必须采用钻探与物探相结合，物探指导钻探，方能更好的消除水害隐患。

（2） 谢一矿42采区A 组煤底板C 3 3灰岩为影响开采的主要含水层，其所含矿井水的电阻率一般小于30Ω·m ，灰岩干燥状态下的电阻率极高，而含水后电阻率急剧下降，从实验室测试和现场实测数据分析认为，C 3 3灰岩部分含水时岩层电阻率一般分布在60～100Ω·m ，饱和含水时电阻率降至60Ω·m 以下，而A 组煤底板主要隔水层砂岩、泥岩（页岩）和C 1 3、C 2 3灰岩的岩石的电阻率主要分布在100～300Ω·m 范围内，各物性层电性差异较为明显，具有较好的电场勘探地质条件。

（3） 本文通过谢一矿－660m 放水巷物探与钻探对比试验，结合实验室C 33

含水灰岩层的水样与岩样（不同饱和度下）电阻率测试结果，对底板灰岩层赋水性电阻率评定进行分级，

序号 孔 名 孔口标高 终孔层位 电阻率值 (Ω·m) 终孔水量（m 3/h ） 终孔水压(MPa) 1 426放5 -567.171 C 33下 <50～80 3.8 1.42 2 426放4 -567.071 C 33下 <30～50 33.4 1.6 3 426放3 -567.92 C 33下 50～100 1.42 2.61 4 426放2 -567.55 C 33下 >100～120 0.001 0 5

426放1

-567.52

C 33下

>140

0.001

用以指导－567m放水巷探放水设计，实践证明电阻率法探测评定结果和探放水测试水文参数相一致，试验采用的物探方法对不均匀含水层中隐伏水体的超前预测具有效性。

（4）由于矿区井下场地条件、岩层组合与测试仪器装备等的不同，在不同矿区应用本文技术路线开展工作时，岩层赋水性评定指标可能会有所波动，但总体评定指标变化趋势将是一致的，实际工作时，应根据工作区地质条件与探测任务实验确定评判指标，具体问题具体分析。

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