高密度電阻率法在老煤窯采空區勘探中的應用

王守興 祁堯剛 歐立鵬

摘 要：為了探明采空區位置，消除采空區對后期生態環境修復的影響，結合地質條件、地表可見塌陷坑、地球物理特性和高密度電阻率法的優勢，在調查區開展了對采空區的勘探工作。通過認真分析采集的數據和反復推斷，最終查明調查區內的采空區分布，同時也驗證了高密度電阻率法在老煤窯采空區勘探中的可行性和適用性。

關鍵詞：高密度電阻率法;采空區;煤礦

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-027-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.013

黃河作為中華民族的母親河，孕育了世代中華兒女，保護黃河流域，促進黃河的高質量發展，是事關中華民族偉大復興的千年大計。隨著國家相關政策的逐步落實，黃河流域礦集區整治和治理的腳步逐漸加快。在此過程中，一些未探明的采空區為礦山環境后期治理恢復工作帶來了一定的隱患，而高密度電阻率法在采空區探明工作中，具有成本低、效率高、快捷、直觀的特點，能更真實地反映地表以下地層結構特征，同時也是采空區探查中運用最廣泛的方法之一。

1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是電法測量中的一種，其采用了多電極、高密度一次布極，并實現了跑極和數據采集的自動化，因而比常規的電阻率法具有更多優點：

在同一剖面上，通過電極變換，可以獲得斷面不同深度電阻率等值線圖，且隨著電極的轉換測量深度逐漸增加，可以實現現場實時資料處理和成圖解譯。常用的裝置形式主要有溫納裝置、偶極裝置和微分裝置，其中溫納裝置（即對稱四極裝置）的橫、縱向分辨率相比偶極裝置和微分裝置較高，本次勘測工作也主要運用了該裝置[1-2]。

2 地質區域背景

調查區地層劃屬華北—柴達木地層大區，衛寧北山—香山晚古生代前陸—上疊盆地，衛寧北山褶皺帶。衛寧北山地區是一個多構造復合區，區域構造主體行跡以東西向為主，西部以東西向或近東西向為主，東部以北西向、南北向為主。

羊虎溝組（C2y）：其為該區主要含礦地層，巖性主要為石英砂巖、泥質粉砂巖（或粉砂質泥巖）、灰黑色頁巖夾灰巖和煤線。巖層發育交錯層理、板狀和槽狀交錯層理、小型斜層理，屬淺海-海岸沉積[3-4]，第四系高阻特性的風積層大范圍分布于該區域地表。

3 地球物理特征

第四系呈現中—高阻性，砂巖呈現高阻性，炭質頁巖及煤層呈現中低阻性，采空區及其冒落帶含泥水較大，呈現中高阻背景值中的低阻特征。采空區塌陷后由于上部巖層穩定性遭破壞，形成冒落帶或小規模斷裂帶，采空區與非采空區在電阻率上的差異由此顯現。采空區內未充水，其電阻率為高阻特征;采空區內充水，其電阻率為低電阻特征;同時，采空區內散落的淤泥等潮濕填充物也會引起低電阻率[5]。

如表1所示，從調查區電性參數可得，區內巖性電阻率測定值：第四系一般為16Ω·m～61Ω·m;炭質頁巖及煤1.5Ω·m～10Ω·m;粉砂巖38Ω·m～74Ω·m;石英砂巖23Ω·m～130Ω·m;采空區<1Ω·m。

4 野外數據采集

本次高密度電阻率法勘查，采用深圳賽贏地脈公司生產的GD-10型高密度電阻率法測量系統。調查區共布設高密度電阻率法測量剖面7條，剖面布設方位30°。其中，5m點間距剖面2條;10m點間距剖面5條;平均線間距為350m。數據采集參數：電極總數120根，采集24層，采集裝置為溫納排列，最大供電電壓240V，最大供電電流2A。巖層走向近東西，傾角40°～60°之間，地表可見串珠狀塌陷坑。

5 數據處理及成果解釋

先用GD-10型儀器將所采集的數據導入到計算機中，再用Geogiga RImager軟件對數據進行平滑預處理并進行反演。

測線WTL05發現：

上部埋深0～20m，電阻率大于16Ω·m，解釋推斷為第四系覆蓋層粉砂粘土中含少量碎石塊;部分電阻率大于110Ω·m的高阻，解釋推斷為高地勢基巖裸露;局部電阻率小于10Ω·m的低阻，解釋推斷為炭質頁巖。

中部電阻率小于5Ω·m，明顯為中低阻區，該區域為炭質頁巖及煤層;其中，在電極19、47、81號電極對應的正下方為低電阻率區，其電阻率小于1Ω·m，相對應的埋深為75m、90m、100m，推斷為采空區位置（充水、泥漿）。

在26～35號電極和54～70號電極所對應下方為高電阻率區，且高阻體均有向北傾的趨勢，與地表可見巖層產狀相符，解釋推斷為砂巖夾粉砂巖。

測線WTL01發現：

上部埋深0～10m，電阻率大于16Ω·m，解釋推斷為第四系覆蓋層粉砂粘土中含少量碎石塊;部分電阻率大于80Ω·m的高阻，解釋推斷為高地勢基巖裸露;局部電阻率小于10Ω·m的低阻，解釋推斷為含炭質頁巖。

中部電阻率小于10Ω·m，明顯為中低阻區，該區域為炭質頁巖及煤層;其中，在電極51、85號電極對應的正下方為低電阻率區，其電阻率小于1Ω·m，相對應的埋深為85m、95m;在地表51～53號電極之間可見有塌陷坑，結合地表現象解釋推斷該低阻區為采空區位置。

將物探斷面圖中電阻率小于1Ω·m的低阻區解釋為采空區的依據：首先，調查區內煤礦均為停產多年的老窯，通過走訪和資料查閱得知，在煤礦正常生產期間有小規模涌水現象;其次，地表可見有串珠狀塌陷坑，且在物探反演斷面圖中的低阻區與地表塌陷坑位置相對應。

通過對7條剖面的分析和采空區特征的總結，將7條剖面做成三維斷面圖，通過圖1所示的三維斷面可以看出，調查區內的采空區分布在南北兩側且在東西向有較好的延伸。通過鉆孔驗證，高密度電阻率法推斷的采空區位置與鉆孔驗證的位置相符。

6 結語

通過本次勘察工作，可以得到以下結論：

經過對7條剖面的認真分析、反復解釋，結合已知的地質資料確認了調查區內采空區的位置及分布。采空區具有東西向較好的延伸性，西側埋深85m～95m，東側埋深110m～120m;就其形態而言，東西兩側較寬，中部較窄，呈“葫蘆”形分布。

高密度電阻率法在老窯采空區勘探中是可行和適用的。

參考文獻

[1] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[2] 韓錫勤，程邈，林松.高密度電法在某防空洞勘探中的應用[J].大地測量與地球動力學，2010，30（4）：165-166.

[3] 王成，程建華，孟方，等.中國區域地質志·寧夏志[M].北京：地質出版社，2017.

[4] 李天斌.寧夏南部弧形推覆構造帶特征及演化[J].地質力學學報，1999，5（3）：22-27.

[5] 張鳳祥，張弘，馮磊，等.高密度電阻率法在某采空區勘探中的應用[J].勘察科學技術，2019，6（4）：52-53.