龙固三维电法报告

新汶矿业集团龙固煤矿井下高密度三维电法勘探及超前勘探报告受新汶矿业集团龙固煤矿的委托，山东科技大学在该矿的北区辅助运输大巷1和辅助运输大巷2进行了井下高密度三维电法勘探及其超前探测。井下数据采集工作于2007年9月7日完成，2007年9月11日前进行了数据处理，之后进行了资料解释及报告编制工作，并提交该成果。一、勘探范围井下三维勘探范围为辅1、辅2已掘大巷之间的区域，基本为一280m×40m的近矩形区域，面积约11200m2。井下超前探测在辅2已掘大巷中进行。二、目的与任务井下三维电法勘探任务：利用井下高密度三维电法技术，对龙固煤矿辅1、辅2已掘大巷之间底板地层的富水性进行探测，构建底板地层电阻率三维数据体，圈定该范围内底板地层的富水区域，分析FL8断层的富水性及其向下延伸情况，指导龙固煤矿防治水工作。超前探测任务：应用山东科技大学自主研发的井下电法超前探测技术，对龙固煤矿井下辅2两条运输大巷进行超前探测，要求探测长度不小于100米，查明巷道掘进前方地层的富水性，指导巷道的掘进工作。三、勘探原理1、含煤地层的主要电性特征岩层与岩层之间，岩层与煤层之间的电阻率差异是在煤矿井下巷道中开展直流电法勘探的物理前提。了解岩石和煤的电阻率及其影响因素，对于合理布置矿井电法勘探工作、正确解释实测电阻率法资料具有重要意义。（1）岩石的电阻率由均匀材料制成的具有一定横截面积的导体，其电阻R与长度L成正比，与横截面积S成反比，即SLR式中，ρ为比例系数，称为物体的电阻率。电阻率仅与导体材料的性质有关，它是衡量物质导电能力的物理量。不同岩石的电阻率变化范围很大，常温下可从10-8Ω·m变化到1015Ω·m，与岩石的导电方式不同有关。岩石的导电方式大致可分为以下四种：①石墨、无烟煤及大多数金属硫化物主要依靠所含的数量众多的自由电子来传导电流，这种传导电流的方式称为电子导电。由于石墨、无烟煤等含有大量的自由电子，故它们的导电性相当好，电阻率非常低，一般小于10-2Ω·m，是良导电体。②岩石孔隙中通常都充满水溶液，在外加电场的作用下，水溶液中的正离子(如Na+、K+、Ca2+等)和负离子(Cl-、SO42-等)发生定向运动而传导电流，这种导电方式称为孔隙水溶液的离子导电。沉积岩的固体骨架一般由导电性极差的造岩矿物组成，所以沉积岩的电阻率主要取决于孔隙水溶液的离子导电，一切影响孔隙水溶液导电性的因素都会影响沉积岩的电阻率，如岩石的孔隙度、孔隙的结构、孔隙水溶液的性质和浓度以及地层温度等，都对沉积岩的电阻率产生不同程度的影响。③绝大多数造岩矿物，如石英、长石、云母、方解石等，它们的导电是矿物晶体的离子导电。这种导电性是极其微弱的，所以绝大多数造岩矿物的电阻率都相当高(大于106Ω·m)。致密坚硬的火成岩、白云岩、石灰岩等，它们几乎不含水，而其矿物晶体的离子导电又十分微弱，故它们的电阻率很高，属于劣导电体。④泥质一般是指粒度小于10μm的颗粒，它们是细粉砂、粘土与水的混合物。泥质颗粒对负离子具有选择吸附作用，从而在泥质颗粒表面形成不能自由移动的紧密吸附层，在此紧密吸附层以外是可以自由移动的正离子层。在外电场作用下正离子依次交换它们的位置，形成电流。这种以泥质颗粒表面的正离子来传导电流的方式与水溶液的离子导电方式不同，称为泥质颗粒的离子导电，也称为泥质颗粒的附加导电。粘土或泥岩中泥质颗粒的离手导电占绝对优势，由于粘土颗粒或泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以粘土或泥岩的导电性能比较稳定，它们的电阻率低且变化范围小。在砂岩中，随着岩石颗粒的变细，附加导电所起的作用将越来越大，特别是细砂岩和粉砂岩，附加导电对岩石的电阻率影响很大。（2）岩石电阻率与矿物成分的关系岩石电阻率与组成岩石的矿物的电阻率、矿物的含量和矿物的分布有关。当岩石中含有良导电矿物时，矿物导电性能能否对岩石电阻率的大小产生影响取决于良导矿物的分布状态和含量。如果岩石中的良导矿物颗粒彼此隔离地分布着，且良导矿物的体积含量不大，那么岩石的电阻率基本上与所含的良导矿物无关，只有当良导矿物的体积含量较大时（大于30%），岩石的电阻率才会随良导矿物的体积含量的增大而逐渐降低。但是，如果良导矿物的电连通性较好，即使它们的体积含量并不大，岩石的电阻率也会随良导矿物含量的增加而急剧减小。（3）岩石电阻率与其含水性的关系沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流，因此岩层中水的导电性质将直接影响沉积岩的电阻率。在其他条件相同的情况下，岩层电阻率与岩层中水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要因素是水中离子的浓度和水的温度。煤田中常见的岩层水一般含低或中等浓度的离子，岩层中水的含盐浓度增大，离子数量随之增多，溶液导电性将变好。同时岩层中水的导电性还与温度有关，它的电阻率将随温度的升高而降低。这是因为，一方面水中盐类的溶解度随温度的升高而增大，致使溶液中离子数量增多；另一方面，温度的升高还会降低溶液粘度，加快离子的迁移速度。（4）岩石电阻率与其孔隙度和孔隙结构的关系由于地下水只充填在岩石的孔隙空间之中，因而岩石电阻率不仅与岩石中水的电阻率有关，而且还与岩石的孔隙度和孔隙结构有关。岩石孔隙度的大小决定着岩石中水的含量，从而决定着岩石中离子的数量；岩石孔隙的结构(包括孔隙通道的截面积大小、弯曲程度以及连通程度等)则影响着离子的运动速度和参加运动的离子数量。（5）岩石电阻率与岩性的关系含煤地层主要由砂、泥质岩和碳酸盐岩组成，它们的电性特征分别讨论如下。①砂、泥质岩砂、泥质岩包括碎屑岩类和粘土岩类。碎屑岩由碎屑颗粒、胶结物、泥质及含水孔隙组成，与碳酸盐岩相比，碎屑岩的孔隙度较大，孔隙结构较简单、规则。一般碎屑岩的电阻率随其粒度的减小、分选性变好、泥质含量增高、胶结程度变差和孔隙中水含盐量的增大而降低。砂岩电阻率在数十至数千欧姆米之间变化。分选性差、颗粒粗、胶结程度高的致密砂岩电阻率高；反之，分选性好、颗粒细、胶结程度低的疏松砂岩电阻率相对较低。胶结物不同，砂岩电阻率也不同，钙质、硅质或铁质胶结的砂岩电阻率一般比泥质、粘土质胶结的砂岩电阻率高。砾岩由于颗粒粗、分选性差，故常具有比砂岩还高的电阻率。粘土、页岩、泥岩等粘土类岩石以泥质颗粒的离子导电方式为主，因为泥质颗粒表面的电荷量基本相同，所以粘土、泥岩、页岩等的导电性比较稳定，它们的电阻率一般在1～n×10Ω·m之间变化。其中，页岩比粘土和泥岩更致密，故其电阻率稍高。当砂岩或砾岩含有泥质时，由于增添了泥质的附加导电性，其电阻率也会降低。砂、泥质岩石电阻率由小到大的顺序是：泥岩或粘土→页岩→细砂岩或粉砂岩→中砂岩→粗砂岩→砾岩。②碳酸盐岩碳酸盐岩主要是以纯化学方式沉淀生成的。这类岩石的颗粒极细，粒间几乎没有孔隙，故其电阻率通常很高，可达n×10３～10４Ω·m。然而，当碳酸盐岩在外因作用下形成的裂隙或溶洞充水时，其电阻率将会明显降低。此外，如果碳酸盐岩中含有泥质时，它的电阻率也会有所下降。（6）岩石电阻率与层理的关系层理构造是大多数沉积岩和变质岩的典型特征，如砂岩、泥岩、片岩、板岩以及煤层等，它们均由很多薄层相互交替组成。这种岩石的电阻率具有明显的方向性，即沿层理方向和垂直层理方向岩石的导电性不同，称为岩石电阻率的各向异性。岩石电阻率的各向异性可用各向异性系数λ来表示，定义为tn式中，ρn代表垂直层理方向上的平均电阻率，称为横向电阻率；ρt代表沿层理方向的平均电阻率，称为纵向电阻率(图1)。由于岩层横向电阻率始终大于纵向电阻率，所以岩石的各向异性系数λ总大于l。特别地，当λ=1时，则为各向同性介质。组成煤系的常见岩层中，石墨、碳质页岩和无烟煤互层时各向异性最明显，烟煤或粘土质页岩次之，其他岩层更次之。一般地，岩层与夹层的导电性差异越大，互层越频繁，岩石的各向异性越明显。图1层状结构岩石模型（7）岩石电阻率与温度的关系岩石电阻率随温度的变化遵循导电理论的有关定理。电介质中离子的能动性随温度升高而增大，其运动能量积累到一定值时，很容易脱离晶格，因此导电性增强。半导体的温度升高时，导电区电子浓度增大，导电性也相应增大。如前所述，在低温条件下，含水岩石中水溶液的导电性随温度的升高而增大，这是由于温度升高导致水溶液浓度增大和粘滞度降低，水溶液中离子数量增多、活动性增强的缘故；当温度继续升高时，因水分蒸发，岩石电阻率略有增加，只有温度继续升高时，电阻率才开始减小。例如，对油页岩进行加温实验时，温度升高到50～100℃时，试样的电阻率减小；温度继续升高至200℃时，试样电阻率增大；温度继续升高超过200℃时，试样电阻率急剧下降；当温度超过600℃后，试样电阻率又呈回升趋势。烟煤(褐煤、肥煤、气煤)电阻率与温度间的关系与上述情形类似。（8）岩石电阻率与压力的关系岩石原生结构破坏是压力作用下岩石性质变化的主要原因。根据压力特征，这种破坏可能是岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触面积的增大，形成裂隙组，或是个别区域之间粘结性减小等等。静水压力对岩石的压实作用最大，在静水压力作用下，岩石内出现残余变形，从而使孔隙度降低。此时压力对岩石电阻率的影响与岩石内液体和气体的含量有关，往往随压力的增大，干燥或者稍许含水岩石的电阻率减小，这是由于孔隙度降低、颗粒间接触良好的原因。除此之外，岩石中孤立的含水孔隙在压力作用下闭合并形成连续的导电通路，也会使其电阻率减小。对于大多数岩石，当单轴压力由10Mpa增加到60Mpa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化。但是，某些粘土在压力作用下，由于孔隙中的水分被挤出，含水孔隙通道的截面缩小，从而使其电阻率增大。对于非常潮湿煤，压力增大时，电阻率也增大。相反，在应力弱化作用下，岩石颗粒之间内部粘结性降低，致使岩石强度变小，岩石可碎性增强。当岩石内部裂隙发育但裂隙不充水时，岩石电阻率会增大，若裂隙充水，岩石电阻率会显著减小。（9）煤的电阻率煤的电阻率与煤化程度、煤岩组分、矿物杂质含量以及水分等因素有关。煤化程度很低的褐煤，常含有较高的水分和溶于水的腐植酸离子，故其电阻率较低，一般仅为数十至数百欧姆米。随着煤化程度的加深，褐煤中水分和溶于水的腐植酸离子含量将显著减少，因而褐煤的离子导电性减弱，其电阻率明显增高。烟煤常具有较高的电阻率，但随煤变质程度的加深，电阻率减小，过渡至无烟煤，电阻率急剧下降。烟煤电阻率的变化范围为数十至数千欧姆米，无烟煤常常具有良好的电子导电性，因而其电阻率很低，一般在1Ω·m以下。煤中矿物杂质的电阻率通常低于褐煤或烟煤中有机质的电阻率，而高于无烟煤中有机质的电阻率。因此，褐煤或烟煤的电阻率随矿物杂质含量的增高而降低，而无烟煤的电阻率则随矿物杂质含量的增高而增大。但当无烟煤层中含有大量黄铁矿时，由于黄铁矿的电阻率很低，也会使无烟煤的电阻率降低。煤的湿度分为内部湿度和外部湿度。煤的内部湿度是煤的电阻率随其变质程度变化的主要因素之一。煤的外部湿度取决于煤田的水文地质条件，外部湿度会使煤的电阻率降低。在煤的氧化带中，外部湿度一般较大，所以氧化带的电阻率往往比深部煤的电阻率低。各种煤岩组分中，丝炭的电阻率比镜煤低。综上所述，电阻率是表征岩石和煤性质的重要物理参数，岩石和煤的电阻率不同程度地依赖于它们的成分、结构、所含水分等因素，随着影响因素的改变而在较大范围内变化。2、矿井直流电法勘探的工作原理直流电法勘探是测定岩石电阻率的传统方法。它通过一对接地电极把电流供入大地，而通过另一对接地电极观测用于计算岩石电阻率所必需的电位或电位差信息。对于矿井直流电法勘探而言，供电、测量电极通常布置在巷道顶底板或巷道侧帮上，从不同角度去观测巷道周围稳恒电流场的分布、变化规律，藉以了解巷道顶底板或所在岩层内的地质情况是矿井直流电法勘探的主要任务。(1)巷道周围稳恒电流场的基本性质在巷道周围导电介质内的任意一点上，电流场具有以下特征：①电流密度与电场强度的正比性电流密度矢量j与电场强度矢量E在数量上成正比，比例因子是该点岩石的电导率σ，即EEj②电流的连续性稳恒电流场中，源点除外的任何一点处电流密度的散度均等于零，即odivj③电流的势场性从上述性质可知，稳恒电流场在空间的分