高密度電法在煤礦采空區(qū)探測中的研究與應(yīng)用

王東偉 劉亞文 李玉輝 羅 強 朱 名 李武松 王 飛

(1.河南省地礦局第二地質(zhì)勘查院，河南省許昌市，461000；2.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院，河南省鄭州市，450000)

1 高密度電法工作原理

1.1基本原理

高密度電法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法，它具有一次布極即可進行多裝置、多次數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，高密度電法基本原理與普通直流電法一樣，都是基于穩(wěn)定電流場空間分布理論。在野外施工技術(shù)上，高密度電法比普通電法數(shù)據(jù)采集更快，自動化程度更高。

高密度電法探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是測量前將全部電極一次性鋪設(shè)在測線上，然后通過多芯電纜(或智能盒控制)接入多路電極自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與電法儀通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集中的自動電極轉(zhuǎn)換；測量時，通過單片機控制對電極接地情況進行自動檢查，并控制裝置形式變化、極距大小變化及測點位置滾動，自動完成各測點的多極距、多裝置形式數(shù)據(jù)采集工作，并將數(shù)據(jù)存貯在電法儀的內(nèi)存中；測量后，將儀器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C中，通過專用軟件對數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換并進行反演處理，最后繪制視電阻率剖面、切片等圖件。

高密度電法可采用的裝置形式有溫納對稱四極裝置、微分裝置、三極裝置、偶極裝置、兩極裝置等。數(shù)據(jù)采集時綜合考慮目標(biāo)體埋深、縱橫向分辨率、施工場地等各種因素，選取合適的裝置形式。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法獲取完整的測線或測網(wǎng)數(shù)據(jù)后，對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，剔除畸變數(shù)據(jù)，反演、繪制視電阻率斷面圖，最后結(jié)合已有地質(zhì)資料對異常作出解釋。經(jīng)過反演解釋后，可獲得地下一定深度的地質(zhì)異常分布。

2 應(yīng)用實例

2.1 探測區(qū)概況

本次探測是為查明華北地區(qū)某村莊附近一定范圍內(nèi)的地下地質(zhì)情況，重點探測村莊民房所在區(qū)域是否存在煤礦采空區(qū)，同時對探測區(qū)無民房區(qū)域給出地質(zhì)評價，查明是否存在采空區(qū)。

探測區(qū)內(nèi)廣為第四系黃土所覆蓋，地形較平緩，多為民房和田地 ，黃土層下為厚度10m左右的含礫石土層，電阻率為300～1100Ω·m，礫石土層下為砂巖、泥巖、煤層與灰?guī)r。砂巖電阻率為20～220Ω·m、泥巖電阻率為50～900Ω·m、煤層電阻率為200～500Ω·m、灰?guī)r電阻率為350～3000Ω·m。

當(dāng)采空區(qū)不充填水或砂礫石時，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)；當(dāng)采空區(qū)充填水或砂礫石時，呈現(xiàn)低阻反應(yīng)。煤礦采空區(qū)與圍巖存在明顯的電阻率差異，為高密度電法探測采空區(qū)提供了物理前提。

2.2 儀器設(shè)備及測線布置

本次探測采空區(qū)的高密度電法儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)，該儀器一機多能，操作方便，采用全數(shù)字化自動測量，可對自然電位、漂移及電極極化進行自動補償。探測區(qū)東西長800m、南北寬400m，探測區(qū)內(nèi)自南往北布置東西向9條測線，編號為1線至9線，測線間隔50m；自西往東布置南北向17條測線，編號為10線至26線，測線間隔50m。每條測線布置一個排列，每個排列布置120根電極，觀測120道，電極間隔為10m。采用溫納裝置，工作電壓120V。

2.3 成果及解釋

圖1為探測區(qū)7線高密度電法探測的視電阻率斷面圖，圖中的值為高密度電法探測的視電阻率值，單位為Ω·m，該圖利用溫納四級裝置探測得到。圖中上部橫坐標(biāo)為120個電極的具體編號，電極間隔10m；下部橫坐標(biāo)為實際測線長度，為了保證電極號和圖中測線的長度標(biāo)號對應(yīng)，圖中測線的起始坐標(biāo)設(shè)置為10m，圖中測線的中點對應(yīng)探測區(qū)內(nèi)7線的中點，即7線自西向東的第400m位置?？v坐標(biāo)為相對于地表位置的實際探測距離。

圖1 工區(qū)7線高密度電法視電阻率斷面圖

從圖1中可以看出，在7線下方200m以內(nèi)，視電阻率等值線在橫向上連續(xù)性較好，沒有異常擾動，在垂向上成層分布的特點也較明顯，且左右呈現(xiàn)一致的連續(xù)性，電阻率值從25Ω·m逐漸遞增到95Ω·m，總體上無明顯的擾動異常。說明7線下方200m范圍內(nèi)地層連續(xù)性較好，無明顯的地質(zhì)異常區(qū)存在。但在測線下方200～260m、橫向上550～680m地段的視電阻率值等值線呈局部低阻異常擾動，且形成一個低阻封閉圈，封閉圈的視電阻率值為85Ω·m，明顯低于左右兩側(cè)的視電阻率值，低阻異常較為明顯。對比低阻封閉圈周圍的視電阻率值，同時結(jié)合已知地質(zhì)資料，推測該地段為煤礦老窯采空區(qū)的反映，且存在一定量的泥水。從7線以下260m以外的視電阻率等值線可以看到，受高密度電法溫納裝置的限制，深部的探測數(shù)據(jù)少于上部的探測數(shù)據(jù)，但視電阻率值整體上呈橫向分布，沒有明顯的低阻異常擾動。

同理，在7線附近的6線和8線的高密度電法視電阻率值斷面圖上其視電阻率值橫向上連續(xù)性較好，垂向上成層分布，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)存在。而在東西方向的第17、18和19線的高密度電法視電阻率值斷面圖上，均發(fā)現(xiàn)有低阻異常區(qū)存在，以18線的低阻異常區(qū)最為明顯，異常區(qū)同樣分布在測線下方200～260m位置，橫向上延伸56～60m，說明該煤礦老窯采空區(qū)東西向約130m，南北向約60m。

為確保煤層采空區(qū)探測精度，繪制了工區(qū)高密度電法視電阻率-240m平面圖，平面圖通過26條測線中-240m位置的視電阻率值插值得到。從工區(qū)高密度電法視電阻率-240m平面圖中發(fā)現(xiàn)，低阻異常區(qū)視電阻率值為85Ω·m，異常區(qū)東西長約130m，南北寬約60m，且出現(xiàn)位置與7線對應(yīng)。由于異常區(qū)南北寬度60m，在6線和8線視電阻率斷面圖上未發(fā)現(xiàn)低阻異常；東西長約130m，超出了測線間隔，因此在17、18和19線位置均發(fā)現(xiàn)了不同程度的低阻異常區(qū)，異常區(qū)的位置和測線的視電阻率斷面圖相符。

后來結(jié)合高密度電法物探資料在低阻異常區(qū)地面位置布置一驗證鉆孔，在鉆孔孔深210m處遇大量泥水，泥水有難聞氣味，后對泥水進行鑒定后，判定為老窯采空區(qū)積水，高密度電法探測結(jié)果推測的采空區(qū)位置與實際位置基本吻合。

3 結(jié)論

(1)在野外施工技術(shù)上，高密度電法比普通電法數(shù)據(jù)采集更快，自動化程度更高。在獲取完整的工區(qū)測線或測網(wǎng)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和格式轉(zhuǎn)換，剔除畸變數(shù)據(jù)，可以繪制視電阻率斷面圖和平面圖，再結(jié)合地質(zhì)資料可獲得地下一定深度的地質(zhì)異常分布。

(2)高密度電法溫納裝置受裝置限制，深部的數(shù)據(jù)量偏少，當(dāng)目標(biāo)體勘探深度較大時，可以采用溫納和溫施兩種裝置同時探測，來提高探測的準(zhǔn)確性。

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