高密度電阻率成像法在水文地質(zhì)中的運(yùn)用

張立松

摘要：高密度電阻率成像法（ERT）作為一種準(zhǔn)確且高效的物探方法，被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)某礦沖溝的隱患及裂隙探測(cè)進(jìn)行分析，探討高密度電阻率層析成像法在探測(cè)方面所具有的效果，從而為工程施工或礦產(chǎn)開(kāi)采提供安全保障和理論支撐。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率層析成像法；水文地質(zhì)；應(yīng)用

上個(gè)世紀(jì)80年代，日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株式會(huì)社首次就高密度電阻率探查法研制成功。其工作原理即基于常規(guī)直流電阻率法，將多個(gè)電極同時(shí)布置在探測(cè)剖面上，通過(guò)人工方式將電流發(fā)送至地下，促使地下形成較為穩(wěn)定的電流層，利用自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換裝置，自動(dòng)觀測(cè)和記錄所布設(shè)的剖面的物探方法。該方法可實(shí)施二維地電斷面測(cè)量，此外，還具有測(cè)深法及剖面法功能，不僅點(diǎn)距小，且在采樣密度方面也較高。當(dāng)將導(dǎo)線敷設(shè)一次后，可觀測(cè)數(shù)千個(gè)記錄點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅在施工效率方面較高且信息量大，是一種對(duì)地質(zhì)滑坡體、巖溶空洞及隱伏斷層構(gòu)造等進(jìn)行探測(cè)的有效方法。

1. 高密度電法原理分析

1.1 基本原理

所謂高密度電法實(shí)質(zhì)為電阻率法，是一種將電測(cè)深法和剖面法進(jìn)行組合式運(yùn)用的剖面裝置，其相比于傳統(tǒng)的電阻率法，所存在的不同點(diǎn)在于可一次對(duì)多個(gè)測(cè)試電極進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)一次勘探過(guò)程，便能對(duì)縱橫2維的相應(yīng)測(cè)試給與完成，針對(duì)地電結(jié)構(gòu)來(lái)講，其同樣具有一定的成像能力。所以，介質(zhì)不同，則在探測(cè)成果圖方面都具有比較直觀的體現(xiàn)和反應(yīng)。同一介質(zhì)或者不同介質(zhì)在具體成分及結(jié)構(gòu)方面存在較大差異，則其所具有的電阻率也不相同。如果將介質(zhì)假定為均質(zhì)各向同性，可通過(guò)以下公式對(duì)地下介質(zhì)視電阻率進(jìn)行計(jì)算：

ρ=KΔV/I

在公式當(dāng)中，ρ所代表的是巖土層視電阻率（Ω·m）；△V則表示為電位差（V）；I則表示為供電電流（A）；K表示為裝置系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集原理

首先將一系列電極在固定點(diǎn)距x沿測(cè)線進(jìn)行布置，用x表示相鄰電極距，將裝置電極間距設(shè)置為a=nx （n=1， 2，3，……，n+1），將電極間距為a的1組連接到儀器上，并且還應(yīng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將裝置類(lèi)型進(jìn)行改變，就該測(cè)試點(diǎn)相應(yīng)各種裝置的視電阻率觀測(cè)予以一次性完成（將記錄點(diǎn)設(shè)置在電極排列重點(diǎn)），當(dāng)將一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完畢之后，利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)向下一組電極進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換的目的（即將點(diǎn)距x自動(dòng)向前推移）然后采用同樣的方法，對(duì)該點(diǎn)實(shí)施對(duì)應(yīng)觀測(cè)，直至將整條剖面相應(yīng)電極間距為a觀測(cè)完成即可。然后對(duì)其余不同間距裝置進(jìn)行選擇，諸如a=2x，a=3x，……，a=（n+1）x，并對(duì)上述觀測(cè)進(jìn)行重復(fù)操作。

1.3 資料處理與解釋

可利用高密度電阻率成像處理系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理和解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。該方法通過(guò)實(shí)施佐迪反演，以此實(shí)現(xiàn)橫向分辨率及縱向分辨率提高的目的，促使電性剖面對(duì)于地下介質(zhì)能夠真實(shí)的進(jìn)行反應(yīng)。

可依據(jù)高密度電法電阻率成像斷面圖當(dāng)中所存在的電阻率分布狀況，可將地質(zhì)異常狀況進(jìn)行相應(yīng)劃分。通常情況下，第四系土層在電阻率方面普遍較低，一般情況下其區(qū)間為10～208Ω·m；如果第四系砂層內(nèi)不存在水分狀況即處于干燥使，則其電阻率相對(duì)較高，可達(dá)到100Ω·m，如果其存在含水狀況，其電阻率與土層中相應(yīng)含水量和含沙量之間存在密切關(guān)系，即第四系砂層在含水量方面越強(qiáng)，則其電阻率就會(huì)越低，此外，其含砂量越大，則同樣電阻率越高，通常情況下數(shù)值為10～50Ω·m。一般情況下煤系地層當(dāng)中的砂頁(yè)巖及砂巖所具有的電阻率為30～80Ω·m，其煤層電阻率通常為200～500Ω·m。比如當(dāng)煤炭經(jīng)過(guò)開(kāi)采之后，其相應(yīng)冒裂帶及采空區(qū)上部的覆巖層則會(huì)出現(xiàn)程度不一的坍塌和裂隙，致使電阻率值出現(xiàn)增大狀況。針對(duì)地下所具有的空洞來(lái)講，其所存在的電性會(huì)隨著空洞充填物的性質(zhì)而發(fā)生相應(yīng)變化，如果空洞處于充滿(mǎn)水的狀況，則其在電阻率方面就會(huì)極低，通常情況下<20Ω·m；如果空洞處于干燥狀態(tài)，則其電阻率就會(huì)非常高通常>200Ω·m。因此，針對(duì)地下采空區(qū)、異常地質(zhì)體的位置及空洞解釋?zhuān)憧蛇\(yùn)用上述規(guī)律落實(shí)此內(nèi)容。

2. 工程應(yīng)用

張莊沖溝作為該地區(qū)重要的沖溝形式，其位置處于張莊井田的西部。該沖溝字南部開(kāi)始經(jīng)過(guò)水流匯集向北流動(dòng)，并穿過(guò)煤系露頭流入到小汶河當(dāng)中。在七十年代中期在張莊沖擊溝的西部位置，以及在磁萊鐵路橋北部大約30～50m處，十一層采空區(qū)保留巖柱距離沖溝底部為5.6m，當(dāng)雨季時(shí)，溝底就會(huì)出現(xiàn)突然塌陷并發(fā)生相應(yīng)透水事故，以此對(duì)其進(jìn)行及時(shí)搶修，并在塌陷坑當(dāng)中將大量的農(nóng)作物填充其中。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行大致推算可知，經(jīng)過(guò)近三十幾年的填充操作，其原始填充物則可能出現(xiàn)活化狀況，因此，其就預(yù)示著該地區(qū)還將可能發(fā)生塌陷現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生透水事故，所以，所以，必須地質(zhì)探測(cè)該區(qū)域的裂隙通道及隱患，在治理方面還要有針對(duì)性，從而以保證礦井安全為最終目標(biāo)。

通過(guò)高密度探測(cè)沖溝，并就運(yùn)用高密度電阻率成像處理系統(tǒng)所獲取的具體數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，最終便可得到高密度電阻率成像圖。如圖1所示。

通過(guò)圖1可知，在電阻率剖面當(dāng)中，電性異常區(qū)出現(xiàn)3個(gè)，分別為1個(gè)高阻區(qū)和2個(gè)低阻區(qū)。針對(duì)異常區(qū)1來(lái)講，其實(shí)質(zhì)為低阻區(qū)，其相應(yīng)平面位置則在樁號(hào)25～50m位置處，則可將其斷定為為十一層淺部塌陷區(qū)或者采空區(qū)，并且在其內(nèi)部還含有水；針對(duì)異常2來(lái)講，其實(shí)質(zhì)為為高阻區(qū)，其位置具體在樁號(hào)55～120m處，因此，則可將其判定為十一層淺部采空區(qū)，還有可能是十三層開(kāi)采影響區(qū)，其中不存在水；針對(duì)異常3來(lái)講，其為低阻區(qū)，其位置在于于樁號(hào)135～155m位置處，其存在較大異常范圍，且深度大致為10～30m，則可將其判定為十一層淺部采空區(qū)，或者是煤覆巖裂隙發(fā)育帶，該異常區(qū)具有較強(qiáng)的含水性，并且在頂部位置上還具有高阻異常，并與地面直接連通，因此，可斷定為裂隙通道的反映。上述三個(gè)異常區(qū)域之間可能會(huì)存在局部煤柱間隔。

3. 結(jié)語(yǔ)

高密度電法具有與其它探測(cè)方法相同點(diǎn)，均需要對(duì)一定地球物理予以滿(mǎn)足，尤其是圍巖和探測(cè)目的體之間所存在的電性差異，對(duì)其造成困擾的因素較小時(shí)，其地質(zhì)效果則會(huì)令人滿(mǎn)意，可在許多地質(zhì)工程及水文地質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)用。

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