煤矿水文物探技术研究资料

1、山东科技大学学士学位论文摘要摘 要本文简要介绍了我国煤矿生产所面临的问题，说明地质构造及煤层顶、底板突水问题是当前煤矿开采中所面临的主要地质问题。综合论述了国内外煤矿开采中所用水文物探技术的发展现状，介绍了煤系地层的主要物性特征，地面水文物探方法与原理（电阻率法、瞬变电磁测深法），以及地震勘探技术中的矿井直流电法、矿井瞬变电磁法及无线电波透视CT成像技术等勘探技术的应用情况以及存在的不足。关键词：煤矿水害；矿井电阻率法；瞬变电磁法；无线电波透视CT成像技术；直流电法ABSTRACTThis thesis briefly introduces the problems of the face o

2、f coal mine production in our country, and indicates that geological structures and floor water are the major geological problems in coal mining. Then , it summarizes the development of hydrogeophysical exploration techniques using in coal mining ,introduces the major physical property of coal measu

3、re strata,earth hydrogeophysical exploration techniques and principle(resistivity method ,time domain electromagnetic method),mine direct current method,mine transient electromagnetic method,radio wave penetration method(CT) and their shortcomings .Keywords:coal mine water disaster;coal mine resisti

4、vity method; time domain electromagnetic method;radio wave penetration method(CT); direct current method山东科技大学学士学位论文目录目录1绪论11.1我国煤矿水害现状11.2国内外矿井水文地质研究22矿井水文地质的理论研究成果52.1含水层的研究52.2构造控水性的认识62.3煤矿突水机理63地面水文物探方法与原理93.1煤系地层的主要物性特征93.2电阻率法基本理论与方法163.3瞬变电磁测深法294矿井水文物探方法与技术394.1矿井直流电法394.2矿井瞬变电磁法564.3矿井无线电波

5、透视成像技术635总结与展望69参考文献71致谢72附录1 英文文献73附录2 中文翻译74山东科技大学学士学位论文绪论1绪论1.1我国煤矿水害现状煤炭工业是我国国民经济的基础产业。我国富煤、贫油、少气的资源特点，决定了煤炭在一次能源中的重要地位。据预测，在未来相当长的时期内，煤炭仍将是我国主要的基础能源；在相当长的时期内，煤炭仍将是我国主要的基础能源。我国95%的煤矿是地下开采，水害是煤矿的五大自然灾害之一。我国是世界上矿井水文地质条件最为复杂的国家，许多矿井面临底板突水或顶板涌水的威胁。近年来，国有或地方煤矿连续发年重、特大灾害事故的惨痛教训表明，安全是煤炭工业和煤炭企业发展的前提和保证。

6、安全投入和因灾害事故造成的经济损失已成为煤矿生产成本中不可忽略的重要组成部分。与国际上其他先进采煤国家相比，我国煤矿安全生产形势差距很大。同时，我国又是水资源贫乏国家，由于煤层开采破坏了地下水资源，使本来就十分脆弱的矿区环境问题更加突出。煤矿防治水是一项复杂的系统工程，断层、褶曲、隐伏导水裂隙带、陷落柱等地质异常巳使矿井水文地质条件评价十分困难，采掘活动及其伴生的矿压作用使该问题更趋复杂。矿井突水问题普遍具有空间规模小、时室变化大等特点，仅靠一种或几种传统地质手段已无法达到预期勘探的目的。物探方法自诞生之日起就用于水文勘探工作中，经过几十年的发展其已成为水文勘探最为有效的手段。近年来，煤矿水文

7、物探技术蓬勃发展，各种各样的物探方法都有应用，逐渐成为必要手段，这为煤矿防治水工作和水资源利用等做出了重要贡献。鉴于煤矿水文地质问题的特殊性，水文物探在其原理、测量方法、资料解释等方面都具有明显特点。1.2国内外矿井水文地质研究水害是采矿过程中经常遇到的重大的自然灾害，世界各国都非常重视矿山水文地质工作。20世纪60年代以后，匈牙利、南斯拉夫等国广泛采用相对隔水层厚度，即以泥岩抗水压的能力作为标准评价隔水层的厚度，而将其他岩性的岩层换算成泥岩的厚度，以此作为衡量突水与否的标准，直到今天这一标准或与之类似的许多突水判别准则仍广为应用。由于地质条件的不同，欧美等国在煤层顶板水害防范技术方面做了大量

8、研究工作，他们采用多学科交叉的研究方法，在煤矿开采诱发的水文地质条件变化规律监测监控及超前预测技术领域做了大量研究，并提出了多种类型耦合预测模型，以模拟计算顶、底板（主要是底板）的采动破坏和水力性质等方面的变化特点。在南非、美国、匈牙利等国先后采用注浆堵水方法成功地封堵突水点。俄罗斯、乌克兰在矿山治水中使用了注浆帷幕截流技术，并且认为帷幕是今后矿山水害研究的重要方向之一。目前有些国家利用挖沟机在松散层中修建帷幕，开挖、护壁、清渣流水作业，是当前国外先进的堵水截流技术之一。欧美等发达国家在矿床水文地质条件探测和试验的理论和技术方法上，在水文地质信息获取与科学分析和管理上做了大量的研究并取得了丰硕

9、成果，如美国斯坦福大学等广泛利用地理信息系统进行矿井水害的诊断和预测。此外，国外近几年研制开发的其他物化探探测仪器设备，如美国、加拿大、瑞典等国家研究和开发的地质雷达探测技术和设备，匈牙利等国研究和开发的脉冲干扰试验和钻孔试验技术，澳大利亚研究和开发的单孔多含水层综合水文地质参数测试技术等，极大地促进了矿井防治水技术的发展。我国煤矿水文地质条件十分复杂，也是世界上煤矿水害最严重的国家之一，许多矿井不同程度地受到煤层底板以下奥灰岩溶水的威胁与危害，历史上曾多次发生突水淹井事故，造成重大经济损失和人员伤亡。经过多年的研究与探索，我国在煤矿防治水的理论和技术方面有了很大发展和提高。在突水机理的研究上

10、，借鉴国外的经验和理论，曾先后提出“突水系数”、“等效隔水层”和底板隔水层中存在“原始导高”以及煤层开采对其底板的“破坏深度”等概念。总结归纳提出了底板突水的“原位张裂”、“强渗透通道”、“岩水应力关系"、“关键层”和“下三带”等新理论，从不同方面揭示了突水发生的机理14。同时，应用物探、化探技术，如槽波地震、坑道透视、地质雷达、井下电法，以及连通试验、氧气测定等方法，发现“地质异常体”，确定地下水通道和水源，进一步达到突水预测预报的目的。此外，在突水预测预报中，还采用了“专家系统”、“神经网络”和“非线性理论”等方法。在矿井排水技术方面，普遍采用了国产高效离心式水泵，一些矿区甚至使

11、用了高扬程、人流量的潜水泵。除上述水害防治技术外，水害较大的矿区都园地制宜地采用了井下探放水、留设各种防隔水煤岩柱、修筑防水闸门等安全技术措施。现代测试技术使矿井水文地质勘探工作的某些方面已从宏观世界的观测迈人微观世界的探索。一些科研部门、高等院校和生产单位，开始将扫描电镜、差热分析、X射线衍射、微孔结构分析仪、液压伺服机等现代测试设备及技术用于研究岩石的成分、结构和渗透性。矿井水文地质定量评价方法与技术也有了长足进步，电子计算机和现代数学分析技术的应用不仅为各种水文地质模型的模拟计算提供了有力的工具，而且对实现矿井水文地质勘探资料的储存、管理、分析、处理和图形显示的计算机化以及各类水文地质问

12、题的定量分析和预测、预报起到了有力的推动作用。定量成果不仅可给出矿井涌水量的大小，为论证井田开采的可行性和为矿井排水能力的设计提供依据，而且更重要的是它可力矿井防治水方案的设计、防治水工程的布置和实施提供科学依据，包括全面评价矿区的地下水资源，为科学、合理地开发利用矿区的地下水资源，最优化地实现排供结合提供依据。中国矿业大学自引进美国的ARC/INFO地理信息系统软件以来，已在煤矿底板突水预报和顶板涌水预报方面取得了许多应用成果。总之，由于水文地质勘探手段的发展，当前的矿井水文地质勘探工作已打破以测绘、钻探和探放水试验为主体的单一格局，而代之以钻探、物探、化探、抽（放）水试验、示踪试验、工作面

13、测试的综合勘探和从概念模型到数学模型的模拟计算、定量评价以及计算机的广泛应用。67山东科技大学学士学位论文矿井水文地质的理论研究成果2矿井水文地质的理论研究成果2.1含水层的研究含水层的研究和划分是水文地质研究的基础，查明直接和间接充水含水层的岩性、厚度、埋藏条件、含水空间的发育程度及分布情况，直接充水含水层与隔水层的厚度、岩性组合及物理力学性质，直接充水含水层与间接充水含水层间的水力联系，直接充水含水层的水位、水质、富水性、导水性及其变化情况，地下水的补、径、排条件等对煤矿防治水工作极为重要。松散含水层各类充水矿床被厚层松散沉积物覆盖时，应划出松散层中的含水层和隔水层，重点研究其底部含水层的

14、厚度、富水性及其分布，与上部含水层、地表水及基岩直接充水含水层的水力联系，以评价其对矿井开采的影响。 煤系砂岩含水层煤系砂岩含水层常构成可采煤层顶底板，裂隙水是绝大多数矿井的直接充水水源。煤系砂岩含水层由于其裂隙发育不均一，富水性一般较弱，极少造成突水淹井危险，因而在煤田水文地质勘探过程中投入的工作量较少，通常难以查明其富水规律及其对生产的影响。但在矿井开采过程中，顶板砂岩裂隙含水层常随放顶而造成顶板突水，虽一般不致造成淹井，但当水量较大时，常造成淹面和垮面事故，因而仍是大多数矿井疏放水的对象。许多矿井结合生产安全，对煤系砂岩含水层中裂隙水的赋存条件和裂隙富水带的分布规律进行了深人的研究，为煤

15、层顶板砂岩水疏放工程的合理布置提供了充分的依据。碳酸盐岩含水层碳酸盐岩含水层，特别是奥陶系灰岩含水层，由于其厚度大、水量丰富、水压高，且构成华北主要煤田的基底，对煤矿生产造成很大威胁，相关研究成果包括：从研究碳酸盐岩的沉积旋回及岩性组合特征，矿物成分、化学成分、结构、孔隙与裂隙、可溶性等出发，对矿区的厚层奥陶系灰岩含水层进行了详细分层。矿井防治水的实践表明，在以厚层灰岩作为矿井主要充水岩层的矿区，矿井的水文地质条件、涌水量大小、突水危险性与突水频率高低以及防治水工作的难易程度等，都和井田与强径流带的相对位置有密切关系。2.2构造控水性的认识地质构造与地下水或矿井充水的关系（即构造的控水性），是

16、矿井水文地质勘探需要查明或基本查明的重要水文地质问题之一。各矿井在矿井水文地质勘探中结合采掘资料，对井田内构造（包括陷落柱），尤其是断裂的控水规律进行了总结。构造控水作用与断裂的规模、不同断裂地段的力学性质与岩性、断裂的汇水条件和断裂是否与其他构造线交汇等因素有关。2.3煤矿突水机理底板承压水威胁煤层开采的安全性评价和突水预测依赖于对底板突水机理的认识。底板突水相关因素及其在突水中的作用是突水机理研究的一项重要内容。通过几十年的防治水工程实践和广大生产、科研人员的不断探索，人们对突水相关因素已经有了较全面的认识。这些认识主要来自各大突水矿区多年来在与水害作斗争的过程中对突水规律的认识，是防治突

17、水经验的总结。影响采场突水的主要因素可以归纳为水源、水压、隔水层、地质构造、采掘活动等五种因素。在以上五种因素中，除水压是一个明确的单一因素外，其余四个因素都是由许多因素构成的复合项。含水层的赋水条件是采场突水的物质前提；水压既是突水的动力，又是决定突水与否和突水水量大小的主要因素；隔水层是采场突水的阻抗因素，是煤炭开采的安全屏障；采后冒裂带、断层、褶曲和岩溶陷落柱等，是采场突水的可能通道，绝大多数突水，特别是大型突水一般都与地质构造有关；采掘活动和矿山压力是底板突水的诱导因素。以采场底板突水为例，这五种因素的主要影响表现在：底板灰岩岩溶发育规律及其与突水的关系。煤层底板岩层中的灰岩具有岩溶裂

18、隙和溶洞，其中贮存着承压水，这是矿井底板突水最基本的物质前提。它央定了底板突水量的大小和突水过程曲线的特征。水压在底饭突水中的力学作用。如果仅有水源，而水压很小，在有一定厚度隔水层的条件下，一般不会发生底板突水事故，即使有少量涌水，也不会造成底板突水灾害。水压是底板突水的劫力，会造成底板的变形破坏。水压值是决定突农与否和突水量大小的最基本、最重要的参数。水和水压对底板岩层的作用主要表现在五个方面：水对岩层特别是软弱岩层的软化作用；水压对裂隙岩体的有效应力作用；水压对非连续介质岩体裂隙面和断层面的水楔作用；水流对突水通道的冲刷扩释作用；水压在突水时的主动作用。水压是决定突水量大小的主要因素之一。

19、底板隔水层的阻隔水能力分析。底板隔水层是指采煤工作面至底板灰岩含水层之间的隔水岩层。隔水层的厚度也就是采煤工作面底板至灰岩含水层的法向距离。底板隔水层在带压开采中起着阻隔灰岩承压水突出的作用。隔水层的阻抗水能力可定义为正常底板条件下（无断层，但有裂隙分布）底板隔水层所能阻抗水压的极限值。隔水层的阻抗能力是一个十分重要的参数。采掘活动、矿山压力与底板突水的关系。采掘生产活动和矿山压力与底板突水的关系表现为三个方面：对于导水的断裂构造和岩溶陷落柱，采掘一旦揭露就会引发突水；开采造成底板应力场的变化，造成采场底板变形破坏，从而增大了采场突水的可能性；开采活动和矿山压力引起断裂构造活动，从而引发突水。

20、山东科技大学学士学位论文地面水文物探方法与原理3地面水文物探方法与原理应用于水文地质勘探的物探技术简称为水文物探，主要有电法勘探、地震勘探、放射性勘探等，其中以电法勘探应用最为广泛。电法勘探是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质（如导电性、导磁性、介电性）和电化学特性的差异，通过对人工（或天然）电磁场（或电化学场）的空间分布规律及时间特性的观测和研究，来勘查地质构造和寻找有用矿产的一类物探方法。电法勘探方法较多，按电磁场的时间特性可分为直流电法（又称电阻率法、时间域电法）、交流电法（频率域电法）和过渡过程法（脉冲瞬变场法）。电阻率法是电法勘探在水文地质勘查中的主导方法，主要用于研宄含水储水构造

21、及其空间形态分布，划分成、淡水界线，确定某些水文地质参数等工作。在煤矿水文地质勘查中，电阻率法主要用于探测巷道或采煤工作面煤层顶、底板隔水层的厚度、裂隙带的富水性、陷落柱范围等水文地质问题。目前，用于煤矿水文勘查的电法勘探方法主要有电阻率法、激发极化法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)等。3.1煤系地层的主要物性特征岩层与岩层之间、岩层与煤层之间的物理性质（电学性质、力学性质等）差异是煤矿开展水文物探的物性前提。了解煤系地层岩石的物理性质（特别是导电性）及其影响因素，对合理应用水文物探方法、正确解释实测物探资料具有重要意义。3.1.1岩石电阻率岩石的导电性通常用电阻率()或电

22、导率（=1/）来描述。根据物理学的定义，均匀介质中直流电路的电阻(R)与介质的长度(L)成正比，与介质的截面积(S)成反比。 R=Ls (3.1.1)其中，比例系数称为介质的电阻率。它在数值上等于单位面积(S=1)、单位长度(L=1m)介质的电阻，其单位为欧姆·米，记为·m。电阻率越低，物质的导电性越好；反之，其导电性越差。3.1.2岩石的导电方式岩石的导电方式大致可分为已下几种：电子导电：石墨、无烟煤及大多数金属硫化物主要依靠所含数量很大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

23、10¯²·m，是良导电体。半导体导电：绝大多数金属矿物属于半导体，其电阻率要高于金属导体。这是因为半导件中能参与导电的电子数目较少。自然界中矿物半导体的性质多半同其所含杂质的种类和含量有关，有时微量的杂质便可使半导体的导电性提高几个级别。因此，半导体矿物的电阻率值都有较大的变化范围，通常在10-6106 ·m之间。晶体离子导电：绝大多数造岩矿物，如石英、云母等，它们的导电是矿物晶体的离子导电。这种寻电性是极其微弱的，所以绝大多数造岩矿物的电阻率都相当高（大于106·m），属于劣导电体。离子导电：岩石孔隙中通常都充满水溶液，在外加电场的作用下，水

24、溶液中的正离子（如Na+、K+、Ca2+等）和负离子(如CI-、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。泥质颗粒的附加导电：泥质一般是指粒度小于10 Pm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，从而在混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束传导电流的方式与水溶液的离子导电方式不同，称为泥质颗粒的附加导电。粘土或泥岩中混质颗粒的离子导电占绝对优势，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

25、的导电性能比较稳定，它们的电阻率低且变化范围小。3.1.3影响岩石电阻率的因素岩石是不同矿物的集合体，并且常常含有一定的孔隙水，因此，岩石的电阻率必然和它的矿物成分、含水性、结构、构造及其相互作用等有关。不同岩石的电阻率变化范围很大，常温下可从10-8·m变化到1015·m。岩石电阻率与其矿物质成分的关系岩石电阻率与其组成矿物的电阻率、矿物的含量及矿物的分布状态有关。当岩石中含有良导电矿物时，岩石电阻率的大小取决于良导电矿物的分布状态和含量。如果岩石中的良导电矿物颗粒彼此隔离地分布着，且良导电矿物的体积含量不大，那么岩石的电阻率基本上与所含良导电矿物无关，只有当良导电矿物的

26、体积含量较大（大于30%）时，岩石电阻率才会随良导电矿物体积音量的增大而逐渐降低。但是，如果良导电矿物的电连通性较好，即使它们的体积含量不大，岩石的电阻率也会随良导电矿物含量的增加而急剧减小。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石的电阻率。在其他条件相同的情况下，岩层电阻率与岩石中水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要凼素是水中离子的浓度和温度。煤田常见的岩层水属于低或中等浓度，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

27、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，加快离子迁移速度。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，从而央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。岩石电阻率与岩性的关系煤系地层主要由砂、泥质岩石和碳酸盐岩组成，它们的电性特征分别讨论如下：砂、泥质岩石。砂、泥质岩石包括碎屑岩类和粘土岩类。砂岩电阻率在nn

28、5;103·m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，它们的导电性比较稳定，它们的电阻率一般在1n×10·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。砂一泥质岩石电阻率由小到大的顺序是：泥岩或粘土<

29、页岩<细砂岩或粉砂岩<中砂岩<粗砂岩<砾岩。碳酸盐岩石。碳酸盐岩主要以纯化学方式沉淀生成。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5×103104 ·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，如果碳酸盐岩含有泥质，它的电阻率也会有所下降。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

30、用各向异性系数来表示，定义为： =nt (3.1.2)式中，n代表垂直层理方向上的平均电阻率，称为横向电阻率；t代表沿层理方向的平均电阻率，称为纵向电阻率（图3.1.1）。由于岩层横向电阻率始终大干纵向电阻率，所以岩石的各向异性系数总大于1，而各向同性介质=1。组成煤系的常见岩层中，石墨、炭质页岩组成的互层和无烟煤层的各向异性最明显，烟煤层或粘土质页岩则次之，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3.1.1 层状结构岩石模型岩石电阻率与温度的关系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，电介质的导电性将增大

31、。半导体温度升高时，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。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，这种破坏可能造成岩石的压实，孔隙收缩，颗粒接触面积的增大等。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。除此之外

32、，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，也会使其电阻减小。对于大多数岩石，当单轴压力由10MPa增大到60 MPa时，可观测到岩石电阻率的剧烈变化（1.22倍）。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，对于非常潮湿的煤，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。一般说来，火成岩和变质岩的电阻率较高，通常在102105·m范围内变化；沉积岩的电阻率较低，如粘土的

33、电阻率约为10-110·m，砂岩的电阻率为10103·m，而致密灰岩的电阻率则相对较高，干燥时可这107·m。从表3.1.1可以看出，干燥岩石的电阻率比天然状态下含有水分的岩石要高得多。表3.1.1 常见岩石电阻率 单位·m分类岩石名称天然岩石干燥岩石沉积岩粘土0.530泥页岩1.0×1031.0×104长石砂岩6.8×1031.0×104砂岩3.5×1043.9×105石灰岩2.1×1042.3×107变质岩角岩6.1×1036.0×107片麻岩6.8&

34、#215;1043.2×106石英岩4.7×106火成岩花岗岩1.6×1043×1012玄武岩2.3×1031.7×107橄榄岩3.0×1033.1.4煤的电阻率煤的电阻率与煤化程度、煤岩成分、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殖酸离子，故其电阻率较低，一般仅为n×10n×102 ·m。随着煤化程度的加深，褐煤中水分和溶于水的腐殖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

35、，过渡至无烟煤，电阻率急剧下降。烟煤电阻率的变化范围为n×102n×103·m。无烟煤常且有苴好的电子导电性，因而其电阻率很低，一般在1 ·m以下。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。因此，在一定的地质、物性条件下，可以通过测定岩石或煤的电阻率来解决煤矿生产中遇到的许多地质问题。3.1.5煤系地层的地质特征煤层总是以泥岩、粉砂岩、砂岩或偶尔还有灰岩作为顶底板或者为围岩，而赋存在它们中间。与围岩相比，煤层具有速度低、密度小的特点（表3.1.

36、2）。由表3.1.2可知，在岩石一煤一岩石断面中，以煤层为中心形成了一个低速“槽”。煤与围岩密度、速度的比值约为1：1.51：3.0之间。煤层上、下界面都是一个极强的波阻抗分界面。表3.1.2 煤及其围岩的速度与密度当岩石存在裂隙时，其弹性力学性质发生较大变化，使得弹性波速度减小、衰减增强，而且裂隙带充水与否对传播速度影响也很大。3.2电阻率法基本理论与方法电阻率法是最为常用的水文物探方法之一，它以岩石介质的导电性差异为基础，通过观察和研究人工（或天然）建立的地下稳定电流场的时牵分布规律，来解决某些水文地质问题。3.2.1电阻率法的基本原理均匀介质中不同类型场源的正常场为了研究各种地电断面条件

37、下稳定电流场分布的特征，首先讨论均匀介质中不同形式场源（点电流源、偶极电流源）供电时的正常场分布。点电流源的电场如图3.2.1所示，设半牵间均匀各向同性介质电阻率为，地面电流源为A，其电流强度为I。图3.2.1 点电流源的电场在距离A点为R的M点处的电位值U，由可由下式计算： U=I2R (3.2.1)由上式可求得M点处的电场强度E和电流密度j： E=I2R2 (3.2.2) j=I2R2 (3.2.3)介质中点电流源的电位、电流密度和电场强度均与供电电流强度j成正比，E及j与R的平方成反比，而U与R成反比。不难理解，此时的等位面为同心半球面，电流线是从电流源出发（或终止于电流源）的放射状直线

38、。在均匀半空间的表面，等位线是以电流源为中心的同心圆。两个异性点电流源的电场若相距为2L的点电流源A和B分别以+I和-I向地下介质供电，介质中任意点的电位和电场强度可用一个点电流源的电场按叠加原理求小。介质中等位面和电流线的分布如图3.2.2所示，可知电极附近电场强度的绝对值大、电位变化明显，而在AB中间约1/31/2地段处，电场和电位均变化缓慢，可近似为均匀场。图3.2.2 两个异性点电流源的电场如图3.2.3(a)所示，在AB的中点0处，电流源A和B产生的电流密度j0为： jo=joA+joB=2joA=I 1L2 (3.2.4)而在AB中垂线上深度为h处，点源A和B产生的电流密度为： j

39、h=jhA+jhB=2jhA=I LL2+h232 (3.2.5)所以： jhjo=11+hL232 (3.2.6)随供电电极距L的变化规律十分清楚；当L=0和L=oo时jh=0；当jhL=I h2-2L2L2+h232=0时：L=h2或AB=2L=2h即AB=2L=2 h时，h深处的电流密度最大。电流密度随深度变化情况如图3.2.3( b)所示。图3.2.3 电流密度随深度的变化电法勘探是根据在地表观测场值的变化来了解地下地质体分布的，地下不均匀体的存在和分布只有在地表引起电场明显变化时才能观测出来。介质中的电流分布越深，勘探深度也就越大，对深层不均匀体的反映也越明显。根据以上讨论可以得出以

40、下结论：在地表由A、B供电时，大部分电流集中于A、B附近。当A、B确定后，在地表观测电场只能反映一定深度范围内的电性不均匀体。要想增加勘探深度，就必须加大供电电极距，使更多的电流往深处分布。如将h=AB/2至作为勘探深度，显然，要清楚地反映深度为h的异常体，供电电极距AB必须大于h。在A、B连线之间，以中点的电流分布最深，电场最均匀，勘探深度最大。因此，在中点观测最佳，以便达到最大的勘探深度。均匀大地电阻率的测定在测定均匀大地的电阻率时，通常采用四极装置形式，即两个供电电极A、B，两个测量电极M、N（图3.2.4）。当通过供电电极A、B向地下发送电流时，就在地下电阻率为的均匀半空间建立稳定的电

41、场。在M、N处观测电位差UMN大小，由公式即可计算电阻率的大小。图3.2.4 对称四极装置电流场分布示意图根据电场的叠加原理，得到AB在MN间所产生的电位差为：UMN=I21AM-1AN-1BM+1BN 由此可得均匀大地电阻率得计算公式为： =KUMNI (3.2.7) 式中K=21AM-1AN-1BM+1BN上述公式即为在均匀大地的地表采用任意电极装置（或电极排列）测量电阻率的基本公式。其中K为电极装置系数（或电极排列系数），是一个只与电极的空间位置有关的物理量。视电阻率的概念及其定性分析方法在电阻率法中，把宽和高等于AB/2、长为AB的长方体（图3.2.5）定为理想勘探体积。在这个勘探体积

42、范围内集中了电流的大部分，丽在其外电流很少。显然，只有在该体积内，且与围岩有明显电性差异的地质体对正常场的扰动才会被观测到。在非均匀大地表面布极，供电电流在地下分布范围内涉及到不同电阻率的介质，如图3.2.6所示，在勘探体积所涉及的范围内，包含了电阻率为1、2和3几种岩层，因而由公式计算出的数值是1、2和3综合作用的结果，而不是某单层的电阻率值。这个综合影响值是在电场分布范围内各种岩石电阻率综合影响的结果，我们称其为视电阻率，并用s来表示：S=KUMNI (3.2.8)图3.2.5勘探体积示意图 图3.2.6非均匀大地视电阻率测量视电阻率与真电阻率在概念上有着本质的不同，决定视电阻率大小的因素

43、有：电性不均匀体的分布状态（形状大小、深浅及产状等）；供电电极和测量电极间的相互位置；工作装置和地质体的相对位置等。由此可知，视电阻率不仪与地质体的电阻率及其分布状态有关，而且还与电极排列形式及位置自关，所以在不同情况下，视电阻率有时接近一种岩石真电阻率，有时又接近另一种岩石的真电阻率。因而，按一定方式观测视电阻率的变化规律，便可推断出地下各种电性不均匀地质体的分布状态。当MN<<AB时，其间的电场可以认为是均匀的，因此： UMN=EMNMN=jMNMNMN式中 MN-测量电极间的距离； jMN-MN处的电流密度；MN-MN处介质的真电阻率。可知： s=KjMNMNMNI当地下介质

44、均匀时，可把jMN，MN用j0、0来表示，于是： s=KjMNj0MN (3.2.9)这就是视电阻率与电流密度的关系式，亦称为视电阻率的微分公式。它表明某点的视电阻率值与测量电极所在介质的真电阻率成正比，其比例系数就是jMN/j0，即测量电极间实际电流密度与假设地下为均匀介质时正常场电流密度之比。显然，jMN包含了在电场分布范围内各种电性地质体的综合影响。当地下半空间有高阻体时，由于正常电流线被高阻体所排斥，地表M、N处的实际电流密度增加，使得jMN >j0，故s >MN图3.2.7(a)；相反，当地下半空间有低阻不均匀体存在时，由于正常电流线被低阻体所吸引，地表M、N处的实际电流

45、密度减少，使得jMN<j0，故s<MN 图3.2.7(b)。这样，我们通过在地表观测视电阻率的变化，便能揭示地下电性不均匀地质体的存在和分布。这就是电阻率法能够解决有关地质问题的基本理论依据。显然，视电阻率的变化除与地质对象的导电性、大小产状有关外，还与电极装置形式及与异常体的相对位置有关。图3.2.7 底下低阻和高阻异常体对电流的吸引和排斥作用电阻率法分类及应用范围根据电场性质、观测装置形式及观测方式，电阻率法分为多种方法。常用方法的特点及其在水文勘查中的应用范围见表3.2.1。表3.2.1 电阻率法分类及应用范围3.2.2垂向电测深法垂向电测深法原理电测深法是在同一测点上逐次增

46、大供电电极距AB，使勘探深度由小逐渐加深，于是可观测到测点处沿深度方向上由浅至深的视电阻率变化规律。通过对反映地电断面变化的电测深s曲线的分析，可以了解深度方向卜地电断面的特征。在电测深法中，最常采用的对称四极装置如图3.2.8(a)所示，图中A、B为供电电极，M、N为测量电微，它们对称于观测点O布置。工作时，供电电极距AB从最小电极距A1B1变化至最大电极距AnBn，每改变一次电极距AB，相应观测一次UMN和IAB，按照式(2-2-13)计算出视电阻率s值。根据每个极距的观测结果，可绘制出以AB2为横坐标，s为纵坐标（采用双对数坐标系）的电测深s曲线图3.2.8(b)。下面以两个水平电性层的

47、地电断面为例，来说明电测深法的物理实质。首先设厚度为h1、电阻率为1的第一电性层之下是电阻率为2的基底岩层，且2>1，2层相对于1层的厚度视为无限大。图3.2.8 直流测深法工作原理图当用较小的供电电极距（A1B1/2 <<h1）测量时，根据勘探体积概念，认为该装置是处于均匀介质1中，下部高阻基底岩层埋藏较深，此时电流不受高阻2层的影响，此时jMN= j0，MN=1。根据视电阻率微分形式表达式可得：s=jMNj0MN=1 (s曲线1段)当增大供电电极距AB/2时，电流向下穿透深度开始增加，即勘探深度加深，2高阻层开始影响电场的分布。由于2高阻对电流的排斥作用，使jMN增大，j

48、MN>j0，则s>1。随着AB/2的继续增大，2介质的影响愈加明显，s也愈来愈大(s曲线2段)。当AB/2 >>h1，相应的勘探体积内主要为第二层介质充满，而第一层介质1在整个勘探体积中仅占很小比例，所以2介质在影响场的分布问题上起主导作用。可以证明，此时得到的视电阻率值趋于第二层真电阻率，即12（s曲线3段）。s值随AB/2变化的关系曲线称电测深曲线。凡曲线的变化规律反映了垂直深度方向上断面的电性变化，利用s曲线可确定各电性层的厚度和电阻率值。当地电断面类型不同时，s曲线形状也不相同。三极测深法在实际的野外施工过程中，对称四极测深法经常会遇到园地表障碍物（如河流、冲沟

49、、峡谷等）而无法加大极距的情况，这时可采用三极测深法。三极测深法也是通过加大供电电极距OA来达到测深的目的，另一供电电极B被置于无穷远处（一般要求0B>30A）（图3.2.9）。 图3.2.9 三极装置示意图相对于对称四极测深法，三极测深法具有以下特点：工作方便灵活，无穷远供电电极的位置确定后只需移动近测点供电电极，单向布置电极，受地面地物的影响最小，测线端的测量“盲区”最短。三极测深是非对称装置，它对地下地电异常体的电性响应最强，其异常分辨能力比对称装置高，又可通过加大电极距密度，提高电法勘探的分辨能力。测量可采用固定M、N方式，这样既可以减小地表不均匀体的干扰，又能提高勘探精度。特别

50、适合于探测中浅部发育岩溶的分布情况。由于用单极供电，M、N间信号较弱，需要大电流供电。环形测深法水文物探中，常用环形测深法来确定覆盖层下地层的层理、裂隙及破碎带的走向。环形测深法是在地表测点利用对称四极装置进行多个方向布极测量，相邻方位之间的夹角一般为45°（图3.2.10）。用通过测深点的直线表示布极方位，并按一定比例尺将某一极距(AB/2)在各方位上测到的s值标在对应的方位线上，然后用折线将不同方位s值依次连接成闭合曲线。对所有极距不同方位的s值均绘出闭合曲线，便获得由一系列闭合曲线所组成的极形图。当AB/2较小时，极形图的长短轴相差很小，近于圆形，如图3.2.10中AB/2为1

51、0 m、55 m的极形图，表示地下岩层在浅部是均匀、各向同性的。加大AB/2值，如极形图拉长，则短轴指向破碎带、接触带或岩层的走向，如图3.2.10中AB/2为100 m的极形图。当AB/2远大于覆盖层的厚度时，极形图的长轴转而指向低阻带的走向，如图3.2.10中AB/2为225 m、300m及400 m的极形图。图3.2.10 环形测深示意图3.2.3电剖面法电剖面法是用以研究地电断面横向电性变化的一类方法，一般采用固定的电极距并使整个电极装置沿着测线平移，这样便可观测到枉一定深度范同内视电阻率沿着剖面的横向变化。相对于电测深而言，电剖面法更适用于探测产状陡立的高、低阻体，如划分不同岩性的接

52、触带、追索断层及构造破碎带等。电剖面法的主要装置形式有对称联合剖面法、四极剖面法、偶极剖面法和中间梯度法等。联合剖面法是电剖面法中最重要的方法，它实际上由两个三极装置组合而成，提供了较其他电剖面法更为丰富的地质信息，具有分辨能力强、异常明显等优点，因此在水文调查中获得了广泛的应用。由于联合剖面法有无穷远极，敞在野外工作中有装置笨重、受地形影响大等缺点。测量方法是在每一测点分别用两个三极装置AMN及MNB进行观测，所得视电阻率分别用sA及sB表示，从而在一条剖面上便可获得两条视电阻率曲线。作图时，一般将sA用实线表示，sB用虚线表示。公共电极C被置于远离测线并大于(35)AO的距离上，称为“无穷

53、远”极，即相对于观测地段而言，其影响可以忽略。对称四极装置要求供电电极A、B和测量电极M、N均对称于测点布置，并保持极距不变，沿剖面逐点观测U和I，然后计算视电阻率。如果对称于测点再布设一对供电电极AB，且AB>AB，于是在一个测直便可获得反映两种不同深度地电特性的测量结果，后者也称为复合对称四极剖面法。根据场的叠加原理容易证明，对称四极剖面法的测量结果和相同极距联合剖面法的测量结果存在以下关系，即：SAB=12SA+SB (3.2.10)上式表明，对称四极剖面法视电阻率曲线等于相同极距联合剖面曲线的平均值。这样，我们便无须专门去计算对称剖面法的理论曲线，只要取联合剖面sA及sB曲线的平

54、均值便可得到相应地电断面上对称剖面的理论曲线（图3.2.11），对称剖面曲线的异常幅度和分辨能力均不如联合剖面曲线。由于对称四极剖面装置不需要无穷远极，野外工作轻便、效率高，在水文及工程地质调查中多用于普查、探测基岩的起伏、构造破碎带及高阻岩脉等，在合适的条件下还可以圈定岩溶的分布范围及追索古河道等。图3.2.12表示横穿古河道的一条s剖面曲线，当河道内的砂、砾石分布均匀时，s曲线两翼的形态和古河道两岸的岩性分布有关，极大值一般对应于河床的中心位置。图3.2.11 图3.2.123.3瞬变电磁测深法瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，简称TEM）是利用

55、不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。瞬变电磁法与其他电法相比，具有以下特点：观测断电后的纯二次场，克服了复杂的一次场补偿问题，同时受地形影响较小。单脉冲激发就可得到多信息的整条瞬变电场衰减曲线，通过加大发射功率和多次叠加，可大幅度地提高信噪比，加大勘探深度。采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下的野外工作。由于瞬变电磁法的探测深度仅取决于大地电阻率和仪器的采样时间，故可通过调节发送功率、仪器采样时间，方便地控制探测范围。采用不同的装置形式，可以相应地提高横向、纵向分辨能

56、力。对发送回线的形状、方位和点位要求不严，测地工作简单，可通过流水作业达到极高的工作效率。在高阻围岩地区不会产生地形起伏的假异常，在低阻围岩地区，由于是多道观测，早期场的地形影响也较易分辨。3.3.1瞬变电磁法基本原理瞬变电磁法的激励场源主要有两种，一种是回线形式（或载流线圈）的磁场源，另一种是接地电极形式的电流源。下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁场源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。均匀大地的瞬变电磁响应过程在导电率为、导磁率为产的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流，有：在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场，如图3.3.1所示。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁