高密度電阻率法在陡傾煤層采空區(qū)中的勘查應(yīng)用

王浩臣 楊鏡明

（核工業(yè)二一六大隊）

地下煤礦體采出后所留下的深部空間區(qū)域被稱為煤田采空區(qū)，當(dāng)煤礦從地下被開采出來，上覆蓋巖層失去支撐而導(dǎo)致平衡狀態(tài)被破壞，為達(dá)到新的平衡，內(nèi)部應(yīng)力會重新分布。煤田采空區(qū)及其影響區(qū)內(nèi)巖層的完整性被破壞，從而導(dǎo)致其電阻率、密度、彈性的物性特征等發(fā)生了改變。采煤所引起的山體滑坡、地面塌陷、地面不均勻沉降、地下水疏干等地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)對水利與電力工程設(shè)施、公路建設(shè)、生態(tài)與人民的生活帶來了直接性的危害［1-3］。近年來，依據(jù)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，城市基礎(chǔ)建設(shè)已向周邊擴(kuò)展到八道灣、白鳥湖新區(qū)等煤田采空區(qū)區(qū)域，針對采空區(qū)勘查的工作越來越重要，不同采空區(qū)所采用的方法及技術(shù)也有所不同，因此，解決烏魯木齊地區(qū)煤炭采空區(qū)的勘查具有重要的意義。

新疆烏魯木齊地區(qū)煤層多呈陡傾煤層，其下部采空區(qū)易垮塌，自身穩(wěn)定性差，難以在地表形成“拱”，采空區(qū)大多具有空洞內(nèi)填充物堆積，且填充狀況復(fù)雜，多有空洞分布且無規(guī)律，自然垮塌、變形時間長，難以穩(wěn)定的特點(diǎn)。近年來，高密度電阻率法成為高信息量的工程勘察方法，其顯著特點(diǎn)是施工快捷、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、可靠性好、圖像直觀，已成功運(yùn)用于各類采空區(qū)勘查等，同時該方法對地形條件要求較高［4-7］。

1 高密度電阻率法勘探原理

高密度電阻率法是結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際應(yīng)用而研發(fā)的一種常規(guī)電阻率測量方法，該方法以巖、礦石之間電阻率差異為基礎(chǔ)，通過分析電阻率數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，來查明和尋找地下電性不均勻體。高密度電阻率法可以在野外采集大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，觀測精度高。

本次高密度剖面勘測采用溫納α裝置，該測量裝置的電極排列特點(diǎn)是A-M-N-B，其中A極和B極為高密度電阻率法供電端電極，測量端電極為M極和N極。觀測過程中，AM、MN、NB為相等的電極間距，A、M、N、B極同時沿剖面均勻移動，得到第一層剖面；接著電極間距都增大1 個等級，4 個電極再次沿剖面均勻移動，向深部得到第二層剖面；按上述步驟操作，不斷測量下去，得到一個倒梯形高密度剖面；數(shù)據(jù)圖形的排列方式也為倒梯形（圖1）。

2 采空區(qū)勘探實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

勘測采空區(qū)所在區(qū)域位于大地構(gòu)造上，區(qū)域南部山區(qū)為天山褶皺帶，區(qū)域中部平原為山前凹陷帶，區(qū)域北部沙漠區(qū)為準(zhǔn)噶爾地塊，其間以深大斷裂為邊界。采空區(qū)在區(qū)域上位于北天山褶皺帶北緣，準(zhǔn)噶爾坳陷區(qū)南部之次一級構(gòu)造烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。

根據(jù)烏魯木齊山前坳陷八道灣地區(qū)構(gòu)造綱要圖（圖2），場地處于八道灣向斜的南翼，勘查區(qū)范圍涉及八道灣向斜、七道灣背斜褶皺以及碗窯溝斷層等構(gòu)造。

區(qū)域內(nèi)七道灣背斜主要分布在七道灣至水磨溝河以東，呈一弓背向北的弧形，軸面傾向南，背斜向東翹起，向西傾伏。八道灣向斜位于七道灣背斜南，2 軸相距1.5 km 左右，構(gòu)造軸線方向與七道灣背斜基本平行。八道灣向斜西寬東窄，軸面南傾，向斜由西向東緩緩翹起。向斜兩翼地層傾角不等，分布地層為頭屯河組與西山窯組。

第四系（Q）分布廣泛，遍布井田，厚薄不一，直接覆蓋在侏羅系地層之上。除八道灣河兩側(cè)有基巖出露外，幾乎全被覆蓋。覆蓋層上部大部分為黃土，黃土下為礫石層，礫石層最大厚度達(dá)60 m。礫石層按成因又分為冰磧層、坡積層、沖積層等。

頭屯河組（J2t）分布于礦區(qū)北部，B33 號煤層之上，為河湖相沉積。巖性以灰綠、紫紅、深灰色泥巖，細(xì)砂巖為主；次為中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，間夾砂巖、炭質(zhì)泥巖和1～3 層薄煤；雜色條帶明顯；全組總厚630～700 m，與下伏地層呈整合接觸。

西山窯組（J2x）為井田主要含煤地層，呈北東—南西向帶狀展布在井田中部，傾向北西，為湖相、泥炭沼澤相沉積。巖性由灰白、灰、深灰色中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等組成。

三工河組（Jls）呈北東—南西向分布于礦區(qū)的南部，為一套河湖相沉積。巖性以灰綠色細(xì)砂巖與中、粗砂巖互層為主。細(xì)砂巖多呈薄層狀，礦物成分復(fù)雜，富含白云母碎片；中、粗粒砂巖呈厚層狀。礦物成份以長石、石英為主，有少量白云母。粒度分選差，斜交層理較發(fā)育。底部以一層灰綠色致密堅硬的中粒砂巖與下伏地層整合接觸。地層總厚度為235～410 m。

結(jié)合地質(zhì)概況，本次勘測在初步查明該區(qū)域采空區(qū)空間分布特征的基礎(chǔ)上，查明場地與北側(cè)采空區(qū)邊界分布關(guān)系。勘測區(qū)周邊交通便利，八道灣路位于勘查北側(cè)，位于東二環(huán)西側(cè)。勘查區(qū)西南側(cè)為一駕校，區(qū)內(nèi)有部分未拆遷完成的廠房及民房、清真寺等建筑；區(qū)內(nèi)地面基本適合開展高密度電法工作。

2.2 野外工作方法及目的

根據(jù)采空區(qū)的位置和地形場地條件，在擬建區(qū)布設(shè)高密度電阻率法勘測剖面共計3條，確定采空區(qū)邊界，為擬建廠房設(shè)計及后續(xù)采空區(qū)勘探物探方法選擇提供依據(jù)。高密度電阻率法測量時，根據(jù)剖面的長度及電極距離不同，剖面電極個數(shù)選擇90或120個，電極距為5～10 m，最大間隔系數(shù)為36，最終數(shù)據(jù)反演采用快速最小二乘法。

3 條高密度電阻率勘測剖面中，高密度-1、高密度-2 剖面沿南東—北西向平行展布于勘測區(qū)內(nèi)，高密度-3 剖面為短剖面，位于勘測區(qū)東南角，垂直于前2條剖面。工程布置如圖3所示。

2.3 高密度電阻率法剖面電阻率異常特征

2.3.1 高密度-1剖面異常特征

高密度-1 剖面共布設(shè)電極120 根，電極距為7 m，剖面總長度為833 m。剖面反演成果綜合地質(zhì)解釋推斷見圖4、圖5，圖4 為進(jìn)行6 次迭代后的深部斷面電阻率異常結(jié)果，圖5 為進(jìn)行3 次迭代后的結(jié)果，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不同次數(shù)的迭代對比，可以判斷出不同深度的斷面信息。

（1）高密度-1剖面0～336 m區(qū)段地表以淺為厚度15～20 m 的低阻層，為第四系覆蓋。地層裂隙發(fā)育，含水較豐富，該區(qū)段地表較多裂縫，裂隙，地層風(fēng)化強(qiáng)；高密度剖面①～②區(qū)段為地表低阻體，在-10～-40 m深度有一寬約63 m的高阻體，推斷為北大槽煤層主煤層位置，局部分布薄煤層。

（2）高密度-1剖面③～④區(qū)段下方0～130 m深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)大面積低阻區(qū)，該低阻異常帶推斷為采空塌陷區(qū)域，推斷為受煤層開采影響的裂隙發(fā)育巖體有關(guān)。

（3）高密度-1 剖面④～⑤區(qū)段深部40 m 左右有一高阻異常體，其異常邊界為高密度剖面420～476 m，綜合地質(zhì)解釋推斷為南大槽主煤層位置，局部分布薄煤層；近地表淺層有第四系覆蓋。

（4）高密度-1剖面553 m至剖面終點(diǎn)淺部高阻異常帶推斷為基巖淺層地表水疏干區(qū)，結(jié)合區(qū)內(nèi)抽水井出水情況，推斷該區(qū)域深部積水是由西側(cè)深部積水區(qū)涌入。

（5）高密度-1 剖面最東段，以剖面710 m 位置為中點(diǎn)，深部35～50 m 有一條帶狀高阻異常帶沿近東西向展布，推斷在該位置下方存在空洞，由于電法測量的體積及旁側(cè)效應(yīng)，在測線中心位置兩側(cè)的空洞及其他高、低阻異常體均會在電法剖面上產(chǎn)生高阻或低阻異常。該異常段淺部為高阻帶，2 條高阻帶中間夾低阻體B1，推斷該低阻異常為淺部積水。

綜上所述，結(jié)合區(qū)內(nèi)前人地質(zhì)資料推斷，該剖面①～⑤區(qū)域?yàn)槊禾锊煽账萦绊憛^(qū)域，⑥區(qū)域附近為采空區(qū)邊界位置，剖面553m 位置為采空塌陷區(qū)影響邊界位置。

2.3.2 高密度-2剖面異常特征

高密度-2剖面與高密度-1剖面具有類似的電性分布特征。高密度-2 剖面共布設(shè)電極83 根，電極距為10 m，剖面總長度為820 m。剖面反演成果綜合地質(zhì)解釋推斷見圖6。

（1）第四系覆蓋厚度為15～20 m。高密度剖面0～410 m區(qū)段地層裂隙發(fā)育、含水豐富。地表下0～-15 m呈條帶狀低阻異常帶，推斷解釋為含水區(qū)域。

（2）高密度-2剖面①～②區(qū)段的地下30～50 m深部，有一明顯中高阻異常體，該中高阻異常體西側(cè)相同深度同樣出現(xiàn)一形態(tài)大小相同的高阻異常體，推斷該范圍區(qū)段為北大槽煤層主煤層位置，周圍分布薄煤層。

（3）高密度-2 剖面③～④區(qū)段由淺部到深部呈現(xiàn)高阻異常，局部低阻異常推斷為破碎積水；該區(qū)段綜合地質(zhì)推斷為南大槽主煤層位置，局部分布薄煤層。

（4）高密度-2 剖面570 m 附近有一出水井，出水量較好，根據(jù)斷面圖所示，該區(qū)段深部呈明顯的低阻異常區(qū)，其東側(cè)30 m左右20～30 m深度有一明顯低阻異常區(qū)，地質(zhì)推斷該區(qū)域位置為地下積水區(qū)。

（5）高密度-2 剖面東段690 m 處的30～55 m 深部為A2高阻異常體，近東西向展布，推斷在該位置下方存在空洞，引起該高阻異常特征，由于電法測量的體積及旁側(cè)效應(yīng)，在測線中心位置兩側(cè)的空洞及其他高、低阻異常體均會在電法剖面上產(chǎn)生高阻或低阻異常，且該剖面南側(cè)高阻異常高于其北側(cè)。該異常段淺部為高阻帶，2 條高阻帶中間夾低阻體B2，該低阻體位于15～25 m 深度，推斷該低阻異常為疑似充水空洞。

結(jié)合地質(zhì)及礦山資料綜合推斷，高密度-2 剖面①～④區(qū)域?yàn)槊禾锊煽账萜扑閰^(qū)域，推斷剖面455 m 附近的位置⑤為采空區(qū)的邊界，550 m 附近的位置⑥為采空塌陷區(qū)影響邊界位置，施工設(shè)計期間應(yīng)注意。高密度剖面550 m 至剖面終點(diǎn)區(qū)段為基巖淺層地表水疏干區(qū)，推斷該區(qū)域深部積水是由西側(cè)深部積水區(qū)涌入。

2.3.3 高密度-3剖面異常特征

高密度-3 剖面共布設(shè)電極120 根，電極距5 m，剖面總長度為595 m。剖面反演成果綜合地質(zhì)解釋推斷見圖7。

（1）高密度-3 剖面0～340 m 的0～10 m 淺層區(qū)域呈明顯的高阻異常帶，在170 m 附近有水井，該水井位置下方15～40 m 深度呈明顯低阻異常，推斷為地下積水區(qū)。

（2）高密度-3 剖面整體高低阻異常交互出現(xiàn)明顯，異常呈近球狀特征，綜合地質(zhì)推斷解釋該剖面下伏地層巖石破碎、局部含水。剖面240～265 和285～315 m 區(qū)段中20～55 m 深部有2 個低阻異常體B3-1、B3-2，由于電法測量的體積及旁側(cè)效應(yīng)，在測線中心位置兩側(cè)的空洞或異常體均會在電法剖面上產(chǎn)生高阻或低阻異常，因此推斷該區(qū)段深部有疑似空洞。

（3）高密度-3 剖面①～②區(qū)段范圍內(nèi)呈明顯高阻下伏中低阻異常形態(tài)，建議在該區(qū)段范圍內(nèi)250 m附近布設(shè)鉆孔ZK03，鉆孔深度為50～90 m，探明其深部附近電阻率異常體原因。

（4）高密度-3 剖面在90～110 m 區(qū)段20～35 m 深部，有一處A3-1 高阻異常；在165～205 m 區(qū)段的50～70 m 深部，有一處A3-2 高阻異常。由于體積及旁側(cè)效應(yīng)，2 處高阻異常之間平面距離約40 m，且深部高阻異常與淺部高阻異常中間夾一層低阻異常帶B3，推斷為地下水積水區(qū)，因此，推斷深部2 個高阻異常為地下空洞所致。

2.3.4 采空區(qū)平面異常推斷解釋

該區(qū)采空區(qū)深部積水主要呈低阻特征，淺部采空區(qū)具有相對高阻特征，采空區(qū)主要分布于明顯低阻及高阻接觸帶范圍內(nèi)。根據(jù)以上3 條物探剖面成果及相關(guān)地質(zhì)和礦山資料綜合推斷解釋，調(diào)查區(qū)采空及影響范圍主要位于勘查區(qū)西側(cè)（圖8），主要特征表現(xiàn)為圈閉的高電阻率異常及低阻異常向深部延伸特征。圖8 中虛線為煤田采空塌陷破碎影響區(qū)的邊界位置。

3 結(jié)論

（1）本次物探勘查根據(jù)高密度電測深法、地裂縫調(diào)查和地質(zhì)資料綜合解釋，基本查明擬建區(qū)內(nèi)煤層采空及影響區(qū)的平面及縱向分布范圍，可供下一步鉆孔布設(shè)、擬建污水處理廠選址設(shè)計參考。結(jié)合電法剖面解譯，擬建場地內(nèi)共有高阻異常5 個，分別為A1、A2、A3-1、A3-2、A4，低阻異常5 個，分別為B1、B2、B3、B3-1、B3-2，均在剖面深部50 m 以淺發(fā)現(xiàn)，推斷為地下空區(qū)造成。

（2）綜合推斷解釋采空及影響區(qū)主要分布于調(diào)查區(qū)西北段，采空影響區(qū)上部因采空塌陷破碎地層水疏干，整體呈高阻特征，深部低阻異常為采空積水區(qū)。

（3）調(diào)查區(qū)西段第四系覆蓋電性特征為連續(xù)的水平層狀低阻；東段第四系覆蓋為不連續(xù)高阻特征。綜合推斷，東部因水井抽水原因淺部地表水疏干，而深部受西部采空區(qū)積水涌入影響，深部含水豐富，存在地基沉降可能，同時巖體完整性遭到破壞。

（4）雖然高密度電阻率法用于地下陡傾煤礦采空區(qū)探測可以取得更好的效果，但該方法也存在探測深度不夠的問題，建議今后加大數(shù)據(jù)采集量，結(jié)合其他物探方法綜合研究，提高探測效果。