高密度電阻率法在地表強干擾區對采空區探測的應用

黃昌慶，李朝暉，賈世俊

（中國冶金地質總局第三地質勘查院，山西 太原 030002）

山西省陽泉某地棚戶區改造，建設用地面積共計0.56km2，人類工程活動劇烈，原始地形地貌變化較大。本區地表大部為第四系黃土覆蓋，局部基巖裸露。井田內地質構造簡單，煤層賦存穩定，就是開采年代久遠，相關資料欠缺，由于位于人文活動強烈區，故采用了高密度電阻率法在其指定范圍內進行物探勘測工作。

1 地質概況

賦存的地層有：奧陶系中統峰峰組、石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組、第四系中上更新統。

1.1 奧陶系中統峰峰組

主要為深灰色厚層泥晶石灰巖，含方解石脈、黃鐵礦結核及生物碎屑，灰巖以及薄層-中厚層狀灰質白云巖互層組成，部分地段夾有角礫巖，地層厚度大于100m。

1.2 石炭系

中統本溪組：主要為黑灰色泥巖、砂質泥巖與灰白色細砂巖。中夾2~3層石灰巖，底部的一層較穩定，下部為穩定的鋁質泥巖，厚度10m左右，本組地層厚度平均50m，平行不整合于奧陶系中統峰組之上。

上統太原組：為工作區含煤地層，其底部K1砂巖與本溪組分界。主要由灰色及黑色砂質泥巖、泥巖、灰白色砂巖和15#煤層組成，中夾石灰巖，本組厚度平均15m~48m左右，與下部本溪組為整合接觸。15#煤層，傾向南西，傾角一般5°~8°，埋深介于0m~40m，煤層厚度為5.77m，直接頂以泥巖為主，老頂為石灰巖，是本區主要開采的礦層[1]。

1.3 第四系上更新統

以黃色粉土為主，含少量砂質，底部粉砂層與淤泥質土互層，分布在山坡及山頂上，層厚約0.5m~5m，建設場地內僅局部厚度5m，大部厚度為0.5m~1m間。

2 地球物理條件

根據收集到的區域地質資料，工作區勘查深度范圍內地層主要為殘坡積物、灰巖、砂巖、泥巖及煤層等。其中，黃土電阻率范圍大約在40Ω?m~60Ω?m之間，巖石電阻率范圍大約在60Ω?m~300Ω?m之間。當有采空區時，上部巖層結構受到擾動破壞，產生松動、裂隙甚至坍塌現象，其電阻率值在這些區域發生變化，圖像顯示地層分布錯亂，視電阻率值增大或減小。當這些區域無充填時，顯示為高電阻；當這些區域含水或被其他含水物充填時，則顯示為低電阻。總之煤層采空區與其周邊巖層存在明顯的電性差異，具備投入高密度電法進行勘探的地球物理特征。

3 方法原理及儀器設備

高密度電阻率法也稱電阻率C-T法，基本原理與常規電阻率法完全相同，是基于垂向直流測深與電測剖面法兩個基本原理，以地下介質的導電性差異為基礎的電探方法。是研究在施加外電場的作用下地下半空間地質體傳導電流的分布規律。特點是：測量電極一次性布設完成，實現了供電和測量電極的自動布點、自動跑極、自動供電、自動測量、自動記錄、自動計算、自動存儲。減少了常規電阻率法因電極設置而引起的故障與干擾，同時能夠獲得較為豐富的關于地電斷面的地質信息，具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。

3.1 參數選擇

本次高密度電阻率法測量依據工作目的要求設置技術參數，電極排列方式為溫納裝置，電極點距8m，最小隔離系數nmin=1，最大隔離系數nmax=16，供電時間1s，最大電極數100根，最大探測深度控制在120m，重點解決煤層采空。

3.2 儀器設備

本次勘查使用的設備為重慶奔騰數控技術研究所廠生產的WGMD-9超級高密度電法系統，該系統以WDA-1超級數字直流電法儀為測控主機，并配有WDZJ-3多路電極轉換器、集中式高密度電纜、電極。該儀器特點是性能穩定、大供電功率、寬量程、高精度、測量速度快。

3.3 工作布置

物探測線的布設在依據設計的基礎上，結合實際地形，以解決問題為目的靈活布置。本次勘查共布置高密度電阻率法測線8條，測線方位90°，點號由西到東，逐步遞增。

3.4 試驗工作

正式工作開始前，首先根據收集到的資料，并結合調查走訪結果，已知307國道復線南側存在才空，在此布置1條實驗剖面，與14線重合。在該地段進行了高密度電法工作，以驗證方法的有效性并得出異常形態特征。

通過試驗工作，一是試驗物探方法在本區的有效性，高密度電法采空區上方是否有可識別的異常顯示。二是要獲得煤層采空異常特征，對比分析與正常地段的不同特征，總結采空異常的電性值大小，確定異常平面和垂向分布特征，以此為模型開展全區物探勘查，達到由已知到未知解決地質問題的目的。

根據當地調查在存在縫隙，已知采空部位布置了一條試驗高密度電法試驗剖面，實驗剖面位置剛好與14線剖面重合，見圖1。剖面長792m，點距8m。最大探測深度約70m。由該剖面視電阻率斷面圖可看出，電阻率等值線總體呈水平方向變化。在已知采空部位，剖面內平面位置340m~370m范圍，為一近似漏斗狀的低阻異常特征，反演結果表明延深至40m以上。異常區視電阻率值一般在60Ω.m以下，該處煤層賦存標高約40m左右，結合異常特征綜合判斷，推斷該處由煤層采空塌陷并充水所引起。另外在已知采空區坐側，約30m~40m深度，出現不同程度低阻異常，推斷也是由于采空區充水所致。在已知采空區右側，從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發現明顯的異常，說明地層基本完整。

圖1 實驗剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

4 資料處理及推斷解釋

4.1 資料處理

首先對測量采集的原始數據進行單點畸變數據去除，排除干擾。再進行濾波處理。對每天剖面均進行地形改正，最后反演模型成像。本次工作使用瑞典《2DRES二維高密度電法反演軟件》進行反演，并結合反演結果加以推斷解釋。

4.2 資料解釋

00線剖面，從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發現明顯的異常，說明地層基本完整。整個剖面未發現有采空區現象。

02線剖面，剖平距50-200m，在反演深度在40m左右，存在一個低阻異常區，推斷該處由采空并充水所引起。

04線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀的低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。由此分析，從剖面西側往東側660m處，均為采空區或者采空影響區。

06線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。據此分析，從剖面由西往東630m處，均為采空區或者采空影響區。

08線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。據此推斷，從剖面由西往東600m處，均為采空區或者采空影響區。

10線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。剖面在360m處出現一個圓柱高阻異常帶，但其兩側低阻異常判斷，這位置可能為未采空所致。由此分析認為，從剖面由西往東570m處，均為采空區或者采空影響區。

12線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。剖面在350m處出現一個圓柱高阻異常帶，但其兩側低阻異常判斷，這位置應該為未采空所致。由此分析認為，從剖面由西往東530m處，均為采空區或者采空影響區。

14線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。剖面內平面位置340m~370m范圍，為一近似漏斗狀的低阻異常特征。反演結果表明延深至40m以上，電阻率值一般在60Ω.m以下，該處賦礦存標高約40m左右，結合異常特征綜合判斷，推斷該處由采空塌陷并充水所引起。剖面右側從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發現明顯的異常，說明地層基本完整。

16線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規則、串珠狀低阻異常區，推斷由采空并充水所引起。反演結果表明延深至40m以上，電阻率值一般在60Ω.m以下，該處賦礦標高約40m左右，結合異常特征綜合判斷，推斷該處由采空塌陷并充水所引起。剖面右側570m處起從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發現明顯的異常，說明地層基本完整。

圖2 06線剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

圖3 14線剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

5 結論

（1）通過本次物探勘查成果，初步得到結論，物探勘查區內圈出一大范圍采空區異常，其中異常向勘查區的北部，西部均呈未封閉狀，說明采空區范圍向北向西仍有延伸。采空區及影響范圍如成果圖4所示。

圖4 物探勘查推斷成果圖

（2）物探工作基本達到了本次勘查的目的，高密度勘查效果較為明顯，能避開地表電路干擾，物探異常范圍跟調查的結果基本一致。對采空區異常進行三個鉆孔工程驗證，均出現掉鉆或進尺過快等情況，證明本區確實存在采空。

（3）人文活動強烈地區，不利于開展瞬變電磁測深和活性炭測氡，高密度電阻率法不失為行之有效解決勘探采空的首先方法。