高密度電法在探測煤礦塌陷區(qū)中的應(yīng)用研究

韓 侃，王偉星，朱兆榮 ，陳賢豐

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 概述

目前采空區(qū)探測方法主要有兩種：鉆探揭露法和地球物理勘探法。鉆探揭露法屬于單點探測，探測范圍僅限于鉆孔直徑大小的地質(zhì)情況。大面積勘察宜選用地球物理勘探法和鉆探揭露法的綜合探勘方法進行探測[1]。

地球物理勘探法在采空區(qū)的探測上主要包括地震法、直流電法、地質(zhì)雷達法、高密度電法和瞬變電磁法。高密度電法測量信息豐富、工作效率高、探測深度適中的特點被廣泛應(yīng)用于中、淺層工程勘探中，尤其廣泛應(yīng)用于礦山塌陷區(qū)[2]。據(jù)此，文章以蘭州市紅古區(qū)窯街煤礦和平?jīng)鍪袞|峽煤礦的塌陷區(qū)為例，分析了高密度電法勘探在探測煤礦塌陷區(qū)中應(yīng)用效果。

2 高密度電法工作原理及技術(shù)方法

高密度電法屬于電阻率法，是以巖、土、空氣、水等介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，人工對研究區(qū)施加穩(wěn)定的電流場，從而研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種物探方法。高密度電阻率法理論與常規(guī)電法相同，但所用方法技術(shù)不同[3]。高密度電阻率法實際上是常規(guī)電阻率法的改進，在測線各個測點上插上電極，每根電極是可以作為供電電極又可以作為測量電極，同時通過控制開關(guān)選擇使用不同的電極組合，可以實現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集方便快速。將測量結(jié)果傳入微機后，可對數(shù)據(jù)進行處理，添加高程文件，然后反演就可以得到有關(guān)研究區(qū)電阻率剖面圖，高密度電法工作原理示意如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理示意圖

高密度電阻率法通常采用反演的參數(shù)視電阻率來計算：

式中：

ρs——視電阻率(Ohm-m)；

△V——觀測電位差；

I——供電電流；

K——裝置系數(shù)，計算公式如下：

其中，AM、AN、BM、BN為電極間距離。

高密度電阻率法應(yīng)根據(jù)不同的勘探對象和地質(zhì)條件，選擇不同的裝置組合形式，其中常見的電極裝置有溫納四極、施侖貝格、偶極、微分和聯(lián)合三極等[4]。

聯(lián)合三極裝置探測深度最大，但由于裝置的不對稱性，剖面異常形態(tài)可能發(fā)生畸變；施侖貝格裝置橫向分辨率和探測深度適中[5]。實際施工中，可根據(jù)需要選擇不同裝置進行測量，處理時采用聯(lián)合反演，提高數(shù)據(jù)解譯精度。

3 數(shù)據(jù)處理與反演

由于導(dǎo)致塌陷的煤礦采空區(qū)范圍較小，要求數(shù)據(jù)精度較高，勘察區(qū)山巒起伏，梁峁重疊，溝壑縱橫，巖土松散，地形復(fù)雜。根據(jù)實地情況及以往工作經(jīng)驗，分析影響數(shù)據(jù)采集精度的主要因素為：地形地貌和接地電阻的影響。

3.1 地形地貌

由于黃土塌陷區(qū)多呈大于30℃傾斜陡坡地形，地形切割嚴重。地形對探測的主要影響集中為：

1）電極位置的準確性；

2）集流效應(yīng)導(dǎo)致的假異常。

此次采集時首先由測量人員逐點布設(shè)，保證電極位置的準確性。消除集流效應(yīng)導(dǎo)致的假異常方法較多，目前效果較好的為二維反演進行地形校正[6]。本文處理軟件采用儀器配套軟件RA-2D，先進行原始數(shù)據(jù)檢查，剔除較明顯的視電阻率跳點，并檢查地下供電電壓和供電電流分布圖。數(shù)據(jù)處理完畢，利用最小二乘條件約束的反演算法進行反演[7]。迭代一定次數(shù)后，當觀測視電阻率結(jié)果與計算視電阻率結(jié)果滿足最小平方收斂時，則輸出反演結(jié)果。二維高密度電法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程

3.2 接地電阻

電極接地電阻的大小對于高密度探測數(shù)據(jù)可靠性影響較大，接地電阻較大，極易產(chǎn)生局部假異常。

針對蘭州紅古地區(qū)地表干燥的條件，在每個電極接地處澆水，保持電極接地良好。此外，對儀器進行有效絕緣，防止儀器漏電對測量準確度和精度的影響。

以上各種措施聯(lián)合進行，可以較好地保證此次測量數(shù)據(jù)及資料解譯的準確性。

4 現(xiàn)場實例

4.1 紅古區(qū)窯街煤礦塌陷區(qū)

本次數(shù)據(jù)采集在紅古區(qū)窯街煤礦塌陷區(qū)，該地區(qū)地形呈狹長的“山”字型，北面依山，山巒起伏，梁峁重疊，溝壑縱橫，巖土松散，地形復(fù)雜，紅古區(qū)是滑坡、災(zāi)害較為發(fā)育的地區(qū)之一[5]。區(qū)內(nèi)出露巖性主要為砂巖、泥巖，其電阻率較低，僅為 n×10(Ωm)，地裂縫、采空區(qū)等電阻率值為 100～1000(Ωm)，此為此次地球物理勘察的前提。本次數(shù)據(jù)采集所采用工作模式是二維剖面法，電極距為10m，排列采用溫納裝置測量，測線總長度為800m。

高密度電法反演推斷解釋如圖3所示，具體推斷解釋如下：在圖中0m至320m之間出現(xiàn)中高阻部分（色標為橘紅色區(qū)域）為黃黏土層反映，電阻率值為70～100Ω之間。圖中480～800m之間淺表層至十幾米埋深，呈條帶狀區(qū)域高電阻率區(qū)域，電阻率值100Ω以上推斷解釋為地表層裂縫、塌陷區(qū)反映，與工區(qū)去現(xiàn)場情況相符。在圖中左側(cè)160～320m之間出現(xiàn)中高阻部分（色標為淺綠至深綠色區(qū)域）為膠結(jié)松散的礫石層反映，電阻率值為20～50Ω之間。圖中深藍色之淺藍色區(qū)域為泥巖、砂泥巖地層反映，電阻率值較低，一般為10Ω左右，圖中右下側(cè)高阻區(qū)域推斷解釋為砂巖、砂礫巖地層反映。

區(qū)內(nèi)窯街煤礦是歷史采礦和計劃經(jīng)濟時期建立的老礦業(yè)基地[8]，原來的亂采亂挖、無序開采及后來的大規(guī)模開采，使礦區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，引發(fā)了一系列嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題，本次調(diào)查工作的重點是窯街煤電有限責(zé)任公司塌陷區(qū)，確定了多處地面塌陷災(zāi)害。地面塌陷規(guī)模較大的有3處，規(guī)模較小的有4處，穩(wěn)定性較差的有5處。調(diào)查時礦區(qū)由于采礦等原因陷坑和裂縫仍在不斷發(fā)展，變形開裂現(xiàn)象仍在持續(xù)。

圖3 高密度電法反演圖

4.2 東峽煤礦塌陷區(qū)

東峽煤礦位于六盤山山脈關(guān)山東麓陜甘寧盆地之西南緣，屬六盤山石質(zhì)山帶與陜甘寧黃土高原的過渡帶，東峽煤礦地區(qū)地表潮濕、雜草叢生、地表地形起伏較大的條件，在接地條件不好的情況下，采用在每個電極接地處在原狀土上，保持電極接地良好。另外，對儀器實行有效的絕緣措施，以防儀器漏電影響測量精度。通過以上的各種措施，較好地保證了此次勘查的數(shù)據(jù)精度。

本次測量所采用的工作模式是二維剖面法，東峽煤礦塌陷區(qū)地形高程變化復(fù)雜，高密度電法各種裝置中只有溫納裝置受地形影響較小，故采用溫納裝置進行數(shù)據(jù)采集，電極距為10m，1號測線長度為800m，2號測線長度為1280m，測線總長度為2080m。

高密度電法反演推斷解釋如圖4、圖5所示。測線1、2均自西向東布置，具體推斷解釋如下：

圖4 測線1高密度電法反演圖

圖5 測線2高密度電法反演圖

在圖4中（測線 1）左側(cè) 0～640m之間：淺表層由地表至十數(shù)米深度出現(xiàn)條帶狀高阻部分為地表分布塌陷、裂縫反映，200m處、510m處出現(xiàn)的高電阻率團為底部膠結(jié)松散的砂礫層反映，圖中深藍色至淺藍色區(qū)域為第三系泥巖、砂泥巖地層反映，電阻率值較低，一般為10Ω左右。

圖5中（測線2）可看出深藍色至淺藍色區(qū)域為泥巖、砂泥巖地層反映，電阻率值為10Ω左右。640～960m之間淺綠色至深綠色區(qū)域?qū)訛槟z結(jié)密實砂礫層、砂石巖反映，電阻率值為30～80Ω，在1040～1280m之間橘紅色區(qū)域?qū)痈唠娮杪手担娮杪手荡笥?00Ω，推斷解釋為底部砂巖反映，地表有出露。

5 結(jié)語

1）在黃土塌陷區(qū)進行高密度數(shù)據(jù)采集會受到高傾角地形的影響，測線只能沿斜坡階梯式鋪設(shè)，地形高差會導(dǎo)致電流場分布不均，對淺部信號影響較大，因而必須詳細記錄地形高程變化，實施精確地形校正技術(shù)，盡量減少地形影響。

2）通過對兩處塌陷區(qū)高密度電法資料和地質(zhì)資料的綜合分析，并結(jié)合測區(qū)內(nèi)已有的采煤探井取芯結(jié)果，基本查明了探測區(qū)內(nèi)的塌陷范圍、地層結(jié)構(gòu)和裂縫發(fā)育情況。

3）通過在黃土地區(qū)進行高密度探測，分析了黃土塌陷區(qū)介質(zhì)電阻率分布特征，通過數(shù)據(jù)處理解譯，得出了測區(qū)的地層結(jié)構(gòu)和基巖埋深數(shù)據(jù)。這為以后的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作提供了新的技術(shù)手段和工作思路。