高密度電阻率法在遼陽興隆鐵礦突水點勘探中的應用

張國偉

摘 要：本文首先分析討論了采空區(qū)突水點的形成的原因和過程，采空區(qū)突水點的地質特征及地球物理特征。本文有所不同的是在鐵礦采空區(qū)突水問題，解決的問題思路是從低阻、低波阻抗中尋找異常，從普遍性中尋找特殊性，所以本文從鐵礦采空區(qū)突水點的物性基礎出發(fā)，按照不同物探方法原理篩選，以高密度電法勘探最為優(yōu)先，在放大電阻率背景的前提下尋找電性異常。文章以實例闡述高密度探測采空區(qū)突水點的可行性。通過對實際鐵礦采空區(qū)突水點的電法斷面分析研究，歸納總結了鐵礦采空區(qū)突水點在電法斷面上的反映特征和識別標志。

關鍵詞：高密度；電阻率；采空區(qū)；突水點

0.引言

近年來隨著國民經濟的快速發(fā)展，礦山開采日益繁榮，但在大規(guī)模開采過程中礦井突水事故頻發(fā)。礦井中突水主要是在掘進或采礦過程中當巷道揭穿導水斷裂、富水溶洞、積水老窟，大量地下水突然涌入礦山井巷的現象。在富水的巖溶水充水的礦區(qū)及頂底板有較厚高壓含水層分布的礦區(qū)，在構造破碎的地段，常易發(fā)生礦井突水。當巷道底板下有間接充水層時，便會在地下水壓力和礦山壓力作用下，破壞底板隔水層，形成人工裂隙通道，導致上部高壓地下水涌入井巷造成突水。

本文通過遼陽市弓長嶺區(qū)興隆鐵礦內采掘空區(qū)突水點為研究對象，利用高密度電阻率法，還原采空區(qū)下原始地質形態(tài)及結合巖性反演技術解釋實際地質構造，排除安全隱患，探查采掘空區(qū)內突水點情況。

1.高密度電阻率法的原理及特征

直流高密度電阻率法屬于電阻率法范疇，它是為了實現環(huán)境地質調查和解決水文工程問題而研制的一種陣列電探系統。該系統包括兩部分： 數據采集系統和數據處理系統。數據采集時只需將電極一次布設完成，之后即可對剖面進行數據觀測。一次觀測即可完成剖面的二維勘探，既能完成所探測異常體在某一深度上沿水平方向巖性變化，也能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規(guī)律，獲取較為豐富的地電信息[1]。

與常規(guī)電法相比，高密度電阻率法工作效率高，勞動強度低，探測精度較高，高密度電法在電極布設和觀測形式上做了改進，使電法勘探的智能化程度大大提高[2]。

2.采空區(qū)及勘探區(qū)域電性特征分析

當采空區(qū)保存完整且基本上未充水時，在電性上是典型高阻體；采空區(qū)塌陷且基本上未充水時，亦為高阻體；而采空區(qū)充水或塌陷充水時，則將成為低阻體，且隨水的含鹽度與塌陷溶融狀態(tài)而有程度上的不同。

通過對該地區(qū)地質資料及物探資料的收集，可以大致對勘探區(qū)域內電性特征有了初步了解。淺部第四系亞粘土、礫砂較薄，深度3-8m左右為高阻顯示，電阻率范圍為18-40Ω·m；中部風化帶富水區(qū)為低阻顯示，深度變化區(qū)間在4-22m左右，電阻率3-15Ω·m；下部太古界鞍山群茨溝組地層為高阻顯示，深度22m以下，電阻率45-60Ω·m；磁鐵礦脈為特低阻顯示，電阻率為10-4-6*10-3 Ω·m；采空區(qū)充水為低阻顯示，電阻率為5-18Ω·m，采空區(qū)未充水為高阻顯示，電阻率為20-35Ω·m。

3.數據采集

3.1采集原理

采集的數據均按剖面數由小到大的順序分層存儲，每增大一個剖面系數則該層數據量減3，結果為梯形區(qū)域，顯示為梯形圖形和影像。當兩者的通道總數為120道，最小剖面數nmin=1，最大剖面數nmax=30時，單排列溫納共采集2205個視電阻率數據；工作中每排列的文件名以測線號和裝置模式為前提，便于檢查、存儲。

3.2探測裝置

本次工作采用2m點距的溫納（WN）裝置進行施工。所謂溫納裝置，即等比對稱四極裝置，其電極排列規(guī)律是：A，M，N，B（其中A，B是供電電極，M，N是測量電極），AM=MN=NB為一個電極間距，隨著剖面數n由n（min）逐漸增大到n（max），四個電極之間的間距也均勻拉開。該裝置適用于固定斷面掃描測量，其特點是測量斷面為倒梯形[3]。

4.數據處理

結合本區(qū)地質任務，制定處理流程，并選擇合適的處理參數，針對采空區(qū)資料進行保留采空區(qū)特點和減少采空區(qū)影響的二次處理，采用線性濾波，減少畸變。

外業(yè)采集的原始數據經檢查驗收后，轉入計算機回放，由RE S2DINV高密度電阻率數據二維反演軟件完成，使用快速最小二乘法對電阻率數據進行反演，反演過程壓制系數隨厚度的增加而增加，為穩(wěn)定反演過程，壓制系數隨層深度增加以1.2倍增強，迭代次數通常使用3-6次，收斂誤差值一般不大于5%。并用GRAPHER、WINSURF軟件對反演結果進行整理，繪制出曲線及斷面圖等。

5.高密度解釋成果

5.1剖面解釋

測線分布為北東向，線長為240m ，測線的小號端位于測區(qū)西南端。該電性剖面總體看也分三個電性層，也是高-底-高形式的電性反應，但是淺部電性層較薄，且電阻率值也較低，基本是黃色區(qū)域，厚度大約在3-4m 左右，中部的低阻區(qū)域應為強弱風化帶的反映，即藍—綠色區(qū)間，該層段較穩(wěn)定，深度范圍在4-20m 之間，藍色區(qū)域推斷富水性較好，在此區(qū)段有3個藍色警示點，分別在58m下方、107 m下方和178 m下方；下部的紅色高阻區(qū)（即20 m以深），應該是太古界鞍山群茨溝組地層，從底部的紅色區(qū)域看，地面樁號64m-128m區(qū)段地層穩(wěn)定，且連續(xù)，電阻率值均勻變化，而到了樁號128m附近，電性曲線發(fā)生扭曲，部分曲線出現向下的漏斗狀，說明該部位亦是構造變化點，故推斷為斷層點，斷層產狀西北，在往右剖面的底部出現黃綠色小的低阻體，分析判斷為巷道反映（圖4.1）。

5.2斷層展布

從本區(qū)高密度反演后的視電阻率擬斷面圖可以清晰看出，本區(qū)導水通道正是由斷層透水所引起。將各條剖面線上斷層位置投影到平面圖可以展布出本區(qū)斷層（F）的延展方向，斷層走向大致為近東—西向。

6.實際驗證效果

在施工完本區(qū)高密度勘探后，礦方按照勘探報告中所給孔位進行施工，共完成鉆孔4個，孔深65m，開孔直徑0.273m，終孔直徑0.219m，4個鉆孔全部打在斷層上盤，有裂隙水流出，水量中等，后期經灌漿封堵，突水問題得到控制。

7.結論與建議

7.1結論

1）所選擇高密度電阻率法在這次對采掘空區(qū)內突水點勘探中，取得令人滿意的探測效果。視電阻率斷面圖更形象、更直觀地反映本區(qū)的電性分布及結構特征，準確探查出突水點的位置。

2）通過對資料的解釋與分析確定了本區(qū)導水通道的形成正是由斷裂導水所引起。

7.2建議

根據高密度所獲得的反演成果結合后期鉆孔數據，建議對已完成的4個探水孔進行帷幕灌漿施工，對斷層裂隙進行堵封，并將未完成的5#探水孔繼續(xù)進行鉆探，與之前4個鉆孔相連通，對突水點徹底進行封堵。

參考文獻

[1] 董浩斌，王傳雷.2013.高密度電法的發(fā)展和應用[J].地學前緣，10 （1） ： 171-176.

[2] 呂玉增，阮百堯.高密度電法工作中的幾個問題研究[J].工程地球物理學報，2005，2（4） ：264-269.

[3] 工宇璽.高密度電阻率法的主要裝置特點與應用[D].成都：成都理工大學，2010.