高密度電阻率法在探測采空區(qū)中的應用研究

范育典

（中國地質大學（北京），北京 100000）

0 引言

煤炭資源的大量開發(fā)、利用帶來了極大的經濟收益和社會價值，而過量開采煤炭也造成了大量的地下采空區(qū)，出現(xiàn)地表塌陷的現(xiàn)象，使地面建筑、交通設施、生活設施和土地受到損壞。礦區(qū)毀損情況嚴重，威脅礦區(qū)人民群眾的日常生活和生產，影響我國經濟的發(fā)展和社會穩(wěn)定。因此，掌握采空區(qū)的詳細情況，預防滑坡、突水以及冒落等災害性地質情況成為日益突出的問題[1]。

1 工程概況

東升廟鉛鋅礦坐落于內蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)的烏拉德后旗，屬于典型的大陸性干旱氣候區(qū)。因此，礦山巖石外露，長期干燥多雨，植被稀疏。礦井海拔高度大約為1 050 m～1 183 m，山脊險峻。勘探條件類別為Ⅱ-4 型，煤層深度為1 183 m～700 m，開采面積為1.387 7 km2。

2 高密度電阻率法實驗

2.1 數(shù)據(jù)采集

初設線路時，測線方向與礦區(qū)勘探線平行（近南－北向，位于20-22 勘探線），起始點在北端，終點在南端。選擇使用溫納四極模式，電極總數(shù)為120 道，電極間隔10 m，測量線總長1 140 m，最高的間隔指數(shù)值為32。對2 025 個測點的數(shù)據(jù)信息進行合理安排和測量，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)存儲到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)收集工作。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)處理過程

要查看原始數(shù)據(jù)，就要以txt 的格式儲存dat 格式的數(shù)據(jù)信息，如圖1 所示。對初始數(shù)據(jù)的展開解讀見表1。

表1 初始數(shù)據(jù)解釋

圖1 儲存的dat 格式統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2.2 數(shù)據(jù)轉化過程

轉化原始數(shù)據(jù)，方便高密度軟件能夠辨識轉化的數(shù)據(jù)信息，轉化過程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)轉換

2.2.3 導入數(shù)據(jù)

開啟GeigiaRimage 軟件，將轉化數(shù)據(jù)信息導入軟件并設定主要參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)導入及參數(shù)設置

2.2.4 原始圖像和曲線圖

在未進行任何處理的圖件中，橫坐標表示測線長為0 m～1 140 m，縱坐標表示深度為0 m～300 m，不同的色彩反映不同的電阻。要想知道每個測點的相對位置，還可以將其轉換為相應的圖形。

2.2.5 濾波處理

在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，由于受各類外界影響的干擾，原始記錄會摻進噪聲，因此必須要對原始圖像進行濾波、預處理。軟件包括3 種處理方式：中值濾波、Alpha 濾波和均值濾波。中值濾波是數(shù)字圖像處理中典型的平滑噪聲方式，適用于數(shù)字圖像處理中的外緣信息，因此適合處理噪聲[2]。

2.2.6 地形矯正

該試驗是在波瀾起伏的山坡上開展的，因此每個電極都需要利用GPS 統(tǒng)計各方面的數(shù)據(jù)信息并導入GeigiaRimage軟件，以獲取高程數(shù)據(jù)并修正地形。

在修正地形后，地形從最初的平地變成了跌宕起伏的山脈。修正后的縱坐標由0 m～300 m 變?yōu)?87 m～1 227 m。

2.2.7 反演處理

地形修正后進行反演處理，可獲取直觀的反演圖像。

2.3 不同濾波方法的數(shù)據(jù)處理方式

當采用高密度電法觀測地質環(huán)境時，需要注意不同的地質環(huán)境會有不同水平的干擾。勘探前對預處理數(shù)據(jù)進行過濾，可以利用過濾去掉不可用的數(shù)據(jù)點。濾波的方式較多，每種方式都有比較特定的噪聲數(shù)據(jù)，應根據(jù)具體情況選取有優(yōu)勢的濾波方式。

2.4 信息解讀

2.4.1 電阻率斷面圖

結合電阻率斷面圖分布情況可以發(fā)現(xiàn)圖中存在許多色彩不一樣的區(qū)域，這些不同色彩區(qū)域象征不同的電阻率。色差減少代表電阻在平緩變化（沒有異常），因此沒有采空區(qū)。當?shù)仉妶D視電阻率突然出現(xiàn)顯著變化、電阻率出現(xiàn)明顯異常且與附近地電信息顯著不同時，可斷定其為采空區(qū)。

根據(jù)電阻率斷面圖可知，該區(qū)域存在1 個閉合地理區(qū)域，其電阻率明顯高于周邊的電阻率，因此可以推斷該閉合地理區(qū)域為采空區(qū)。

2.4.2 4種濾波方法分析

選用Alpha 濾波、均值濾波、中值濾波以及綜合濾波等濾波方式。綜合濾波器在很大程度上對高阻區(qū)有增益作用，還可以知道高阻區(qū)的電阻增多，幾種方法的信息處理結果對電阻率斷面圖干擾較小，可以忽略不計。

2.4.3 電阻率斷面圖與采空區(qū)賦存狀態(tài)圖對比

圖4 為采空區(qū)賦存狀態(tài)，①處所示線條為測線地理位置，②處所示線條為1 100 m 的采空區(qū)，③處所示線條為1 020 m的采空區(qū)。從電阻率分布圖可以看出，該區(qū)域存在1 個標高為1 050 m～1 150 m、寬為120 m 的采空區(qū)。對采空區(qū)產狀圖的所在位置進行對比可知，2 個采空區(qū)的形狀、規(guī)模和相對位置相符。因此，該試驗很好地證實了采空區(qū)的現(xiàn)實情況。

圖4 采空區(qū)賦存狀況圖

3 地震法及瞬變電磁法試驗

3.1 地震法

3.1.1 數(shù)據(jù)收集

農業(yè)經濟管理是一項系統(tǒng)性的工程，需要一支強有力的農業(yè)經濟管理隊伍作為支撐。因此，必須大力開展農業(yè)經濟管理隊伍建設，提高農業(yè)經濟管理相關人員的綜合素質，提高其勝任能力。應對農業(yè)經濟管理相關人員實施定期教育和培訓，深化其對農業(yè)經濟管理的認識，強化其工作責任感和使命感，提升其政治素養(yǎng)，優(yōu)化其創(chuàng)新意識及能力，繼而以端正的態(tài)度開展高水準的農業(yè)經濟管理工作。

該試驗選用單邊放炮、4 次覆蓋系統(tǒng)開展測定，檢波點距為5 m，測量范疇為240 m。測試線方位平行于24 號勘探線，與24 號勘探線相隔20 m，起始點（小號點）位于南邊，終點位于北邊。BZK6/24 距離測試線130 m。

3.1.2 數(shù)據(jù)整理

根據(jù)之前現(xiàn)場試驗收集的數(shù)據(jù)可以獲得地震法的原始記錄，接下來對初始數(shù)據(jù)資料進行置道頭、靜校準、疊前噪聲壓制、振幅補償、疊前反褶積、抽CMP 道集、速率分析、動校準以及初相互疊加所剩靜校準，如果所剩靜校準結果顯示超過0.5 ms，那么從速率分析的那一步再次相互疊加。如果低于0.5 ms，則對初始數(shù)據(jù)資料進行DMO 或疊前時間偏位、疊后反褶積、隨機性噪聲衰減系數(shù)、偏位、時間濾波以及增益值，通過這種加工處理可以獲得相應的時間剖視圖。

3.1.3 試驗結果

該試驗最先采用地震法儀器對原始記錄數(shù)據(jù)進行采集，隨后對原始記錄進行一系列加工處理，從而獲得時間剖視圖，再根據(jù)反射波同向性的轉變來推測采空區(qū)的具體位置。將時間剖視圖中采空區(qū)的具體位置與采空區(qū)賦存情況圖中采空區(qū)的具體位置進行比較可知，該位置為金屬礦采空區(qū)。但是，同時也發(fā)現(xiàn)時間剖視圖中產生了大批量雜亂無章的面波，在一定程度上會對試驗的準確性造成干擾。推測其根本原因如下：1） 基本參數(shù)問題。該試驗炮檢距為5 m，為了更好地增強試驗的準確性，布置的偏位間隔較小，會干擾檢測深度，而該試驗采空區(qū)的具體位置較深，檢測的深度無法到達具體位置，讓下部產生了大批量不規(guī)律的波形。2） 從實踐經驗上來看，地震法比較適宜地質構造明晰的沉積巖，該試驗地區(qū)以變質巖和巖漿巖為主，會給檢測增加一定難度。

3.2 瞬變電磁法

3.2.1 數(shù)據(jù)收集

瞬變電磁測定選用重疊回線和中心回線方式，測試線總長度為120 m，測點間隔為20 m。測試線方位平行于24 號勘探線并與24 號勘探線重疊，為了使探測工作更加便利，起始點（小號點）位于南邊，終點（大號點）位于北邊。

3.2.2 數(shù)據(jù)整理

對瞬變電磁數(shù)據(jù)資料進行加工處理的步驟如下：1） 去除遭受外界影響的失真點。2） 采用數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)更詳細地對二次電位進行插值，同時，根據(jù)插值數(shù)據(jù)資料進行分層分析并計算視電阻率值，利用計算機制作定性分析圖件視電阻率擬斷面圖。3） 采用差值法對低阻屏蔽進行刪除，并對某些受干擾點進行過濾，從而降低干擾。4） 形成電法解釋所需的視電阻率斷面圖。

3.2.3 試驗結果

該試驗選用瞬變電磁方式對采空區(qū)及周邊地質環(huán)境的具體情況進行檢測。首先，在試驗區(qū)采用瞬變電磁法裝置采集數(shù)據(jù)。其次，采用數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)對原始記錄進行加工處理。最后，制作電阻率斷面圖并進行定性分析、定量分析，明確了需要尋找的采空區(qū)的具體位置，該結果與采空區(qū)賦存情況圖描述的采空區(qū)的具體位置幾乎一致，因此，可以得出該試驗到達了預計的目的。

該試驗選用了2 種不一樣的方式對采空區(qū)進行檢測，分別是中心回線法和重疊回線法。結果顯示，中心回線法的采空區(qū)具體位置比重疊回線法的采空區(qū)具體位置更偏北，對試驗進行復盤總結時發(fā)現(xiàn)，中心回線的接收器位置比正確位置偏北，因此，讓接下來的結果也向北偏位。正確操作時，2種方式檢測采空區(qū)的位置基本相同，進而也互相證實了該方式在檢測金屬礦采空區(qū)的可行性。

該試驗測試線具體位置附近有高壓電線，很有可能會對試驗造成干擾。因此，在整理數(shù)據(jù)時，要加強濾波加工處理，確保數(shù)據(jù)精準、可信。

4 結語

該文根據(jù)運用高密度電阻率法的實例對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，以形成反演圖，便于工作人員后續(xù)深入剖析。在實驗礦區(qū)采空區(qū)的具體位置和內部結構狀況均不清楚的情況下，根據(jù)高密度電測發(fā)現(xiàn)了許多較為明顯的高、低電阻異常情況。研究成果表明，高阻為采空區(qū)，低阻為富水充填狀態(tài)。結合與采空區(qū)產狀圖的對比可以判定該礦區(qū)為金屬礦區(qū)。因此，高密度電法探測具備對金屬礦山和采空區(qū)探測分辨率較高的優(yōu)越性，探測采空區(qū)的實際效果更好。

在內蒙古東升廟礦區(qū)使用電法檢測獲得了一些成果：1）該試驗研究表明，高密度電法在檢測金屬礦地質環(huán)境條件及采空區(qū)方面有縱向分層數(shù)據(jù)采集分辨率高、對采空區(qū)敏感等優(yōu)勢，將高密度電法與瞬變電磁法、地震法進行比較可知，在采空區(qū)檢測中可以獲得更好的實際效果。2） 對測區(qū)測線數(shù)據(jù)資料進行分析，使用了大量的地球物理信息，反演加工處理可以明確體現(xiàn)采空區(qū)的詳細分布情況，合理利用試驗數(shù)據(jù)，進一步保證成果更有效、更可信。