高密度電法在煤礦采空區中的應用

賈榮

（山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030000）

一、高密度電法概述

（一）基本勘探原理

1.高密度電法應用原理

所謂的高密度電法就是指在一定的空間范圍內，在工作電極上放置大量的與勘探目標相關的高頻電場，從而實現對探測點的高精度測量。在實際的應用過程中，我們通常使用的是高分辨率的探地雷達以及一些專門的用低頻電流來進行觀測的方法來對地下的地質情況做出相應的了解和掌握。高密度電法主要是通過將不同的電極所接收到的電磁波轉換為電能，并將這些信號傳輸到地面的一種技術。

2.高密度電法的數學模型

（1）電法的基本模型。在利用高密度電法勘探的過程中，首先要建立一個由多個不同電極組成的三維空間剖面，再根據各段的電阻率來確定各個極位的相對移動量，最后將這些數據用數學關系表示出來，這樣就可以得到所需的剖面圖。

（2）觀測點的參數值。在實際工作中，我們通常會用到很多的測量點，而每個點的參數值也是不一樣的；因此，要想對每一條導線上的每條導線及各段的導線及各段的導線及所對應的極位進行準確的測定就變得非常的困難了。所以為了能夠更加精確地反映地下的情況以及研究區域的地質條件，就要對每一條剖面上的每條剖面上的所有極位的變化量求出其相應的修正系數，然后將其與實測的資料結合起來，從而得出結論。

3.影響高密度電法開采的因素

（1）電極距離。在進行高程測量時，我們一般會選擇不同的電極距，來對地電剖面的電流分布情況做一定的了解和掌握。但是由于高密度電法的工作環境比較特殊，它是一種非接觸式的高程勘測方法，所以它的觀測結果不具有較好的可靠性和準確性。

（2）導線及基巖的成分。在實際的勘探中，為了保證數據的準確可靠，通常會采用一些導線及基巖的組分以及它們的電阻率，從而來確定所測區域的地質狀況。如果導線及基巖的組成是均勻的或者是微酸性的時候就需要考慮到導線及基體的氧化物等的含量問題。同時也要注意到，在使用過程中，要避免出現漏檢、漏測的現象發生。

（二）方法優勢體現

這種方式的優點在于能夠有效地提高信息的獲取效率，并且可以根據所得到的數據分析出其異常的位置和大小，進而采取針對性的措施來解決出現的問題；同時，還能對其周圍的環境條件作出較為準確的反應；此外，還能為工作人員提供更加全面的勘測資料，幫助他們更好的完成開采任務。目前，我國大部分的煤礦都采用了高密度電法，但是由于煤礦的生產工藝復雜，所以在實施的時候往往會遇到很多的困難與阻礙。

（三）測量與數據處理

1.高密度電法在采空區的應用效果參數及數據

（1）數據精度：在實際的勘探過程中，我們需要采集大量的原始數據，這些數據的準確性直接影響到后期的分析和評價。因此在進行高密度電法勘探的時候必須保證所獲取的資料準確無誤，并且要確保所測的數據能夠滿足要求。

（2）觀測時間：在測量高分辨率的情況下，我們可以通過對電極的電流值來判斷該點的空間位置，從而確定該點的三維坐標。

（3）視距：根據現場實測的結果來選擇合適的測試儀器，并對其的視距范圍作出合理的設定；同時，還應該考慮到不同的地質條件，如巖石的性質、含水量等，以便做出正確的解釋；最后，還應注意的是，由于高密度電法的應用是一種非接觸性的野外勘測方法，所以其最終的應用效果會受到環境的干擾而產生一定的誤差甚至失敗。

2.高密度電法的數據處理

高密度電法在獲得完整的測量線或測量網數據后，對收集到的數據進行預處理，轉換數據格式后，去除畸形數據，繪制反演、視覺抵抗率截面圖，最后結合現有的地質資料對以上進行說明，經過反復解釋，可以得到地下一定深度的地質異常分布。

二、煤礦采空區處理

（一）采空區的形成

當煤炭資源的儲量在一定的范圍內，當開采量超過了可利用的限度時，就會產生采空區，這是一種特殊的地質現象，它是由于礦井的空間布局不合理，或者是礦井的地下結構不完善造成的。同時還有人為的破壞和管理不當，使得采場的安全隱患增加。再有在采空區內的一些煤層的厚度不夠，從而使其塌陷，這也是煤礦的采空區產生的原因之一。最后是煤礦的開采方式不合理，沒有嚴格地進行采礦的設計與規劃，對礦山的地質狀況了解地不夠全面，不能合理的安排人員的工作時間，造成了嚴重的后果。

（二）煤礦采空區危害

煤礦采區威海煤炭資源的開采留下了大量的采區。一方面，采煤區地面塌陷，容易造成山體滑坡等重大自然災害，采煤破壞了開采層的地質構造，開采層受到爆破力、推力等外力作用的情況下，地層裂縫，易發生龜裂和沉降，如2010 年陜西省榆林市新木縣發生的李氏3.0 級地震就是煤礦采區坍塌引起的。同時，煤礦采區塌陷也容易造成山體滑坡等自然災害的發生，另一方面，采掘地破壞了當地的土地資源，煤礦采掘地不僅占用了大量的土地資源，采掘完畢的土地也遭到了嚴重破壞，土地生產力下降，甚至失去了生產能力，給農民的生存和社會的和諧構成帶來了很大的威脅。

（三）采空區勘察和評價

一般來說，采區的勘察和評價工作分為三個階段，即預備作業階段、初步設計階段和施工圖設計階段。

1.預備工作階段。這一階段的調查手段在調查開始時，首先要進行廣泛的調查，收集足夠的礦井資料。如采掘工程的平面圖、井上的對比度、鉆孔柱詳圖等，對一些比較大型的礦井，收集沉降管測量資料，例如相應的采煤方法、采掘年限、掌握地表裂縫方向和寬度，以及塌陷坑的大小和范圍等。利用采空區崩塌、冒落、移動引起的巖體錯動、巖堆、崩塌等特征，可以初步確定采空區范圍，進行一定的估算，評估采空區對擬建筑物的影響或公路危險。

2.初步設計階段分析。這一階段的主要工作是補充上一階段收集的礦井地質資料，通過一定的挖掘方法，調查煤礦的空余分布范圍和長度，并進行估算。

3.施工圖設計階段的分析。這個階段研究了煤礦采空區三個波段的高度和特征，確定了相應的殘余沉降量，并計算了采空區的空腔尺寸。

三、高密度電法在煤礦采空區中的應用

（一）電法勘探電極排列

按照電極電位分布圖，將電法勘探線布置在工作面的上方,然后將探測線放置在工作面的下方,這樣做的目的是為了保證觀測的準確性和穩定性。當用電法勘探線位于采空區的中心時，由于采煤層的電阻率會隨著距離的增加而增大，因此我們需要把測量到的數據進行整理，以便于分析。當用測距儀測出的點位與實際的點位之間的差值小于0.1 時，則表明該點的存在性較好，此時可以使用電法勘探方法來確定其位置。如果測得的值大于或等于0.5,則說明該點的存在性較好，這時就應該利用高精度的全站儀來定位。若要找到某個特定的礦井，那么首先要找準礦井的具體位置，才能準確地尋找該礦井的主要控制因素。

（二）施工裝置以及測線布置

1.電法勘探使用的儀器

在進行勘探工作中，我們一般使用的儀器有：示蹤儀、探地雷達、測溫儀等。（1）示蹤儀：示蹤儀的作用就是用一個或多個傳感器對觀測到的信息采集，然后根據所得到的數據計算出所需要的參數值，再將所得的結果與實際的值作對比，最后得出結論。它具有較高的可靠性和實用性，并且能夠提供較高的準確度。但是因為其價格相對昂貴，所以在我國的煤礦中很少見。（2）探地雷達：該裝置的主要目的在于對采空區的各種地形地貌的了解和研究，通過分析這些資料，來確定其分布范圍，并為后期的開采決策提出可靠的依據；同時還能檢測井下的導納平衡，為采礦的順利開展打下基礎。

2.電法勘探測線布置

探測區東西長800 米，南北寬度400 米，探區內由南向北布置東西方向9 條測量線，編號1 線至9 線，線間距50 米，由西往東布置南北方向17 條測量線，編號10 線至26 線，測量線間距50 米。在各測線上布置一個排列，在每個排列上布置120 個電極，觀測120 度，電極間距為10m。使用全納裝置，工作電壓為120V。

（三）數據處理、解釋及成果說明

1.電法勘探數據處理及反演

目前，我國在電法勘探數據的處理上主要有兩種方式：一種是將采集到的數據進行預處理，然后利用計算機軟件對所獲得的數據進行分析和計算，最后將所得結果與實際的數據相比較，從而得到準確的結論；另一種方法是采用反演的技術來對所獲取的信息加以處理，通過這種方法可以有效地提高工作效率，并且還能減少工作人員的勞動量，降低成本。

2.數據解釋

對所得出的數據進行以下解釋：

定性解釋：根據地球物理異常的特征，定性判斷引起異常的地質原因，大致判斷異常的形狀、大小、產狀和埋藏深度等。

定量分析：計算地球物理異常定量的幾何參數和物理參數

地球物理解釋：根據地球物理異常，應用數學物理方法，推算出狀元體物性參數、埋藏深度、位置、形狀、大小、山上等要素。

地質解釋：結合地質和其他資料，重點對地球物理異常及其狀元體進行地質解釋。

正演解釋：已知地質體的形狀、深度和圍繞巖石的物性參數，求地球物理場的斷面曲線或分布。

反演解釋：已知地球物理曲線求地質體的形狀、深度和巖石物性。

四、應用效果評價

高密度電法對地下地電構造具有較高的分辨率，是研究淺層地質構造的有效方法，隨著深部找礦等深部探測工作的巨大需求，高性能、大探測深度、多變量測量和一臺儀器是高密度電法儀器未來發展的主要方向，在山區用高密度電法探測采區時，應避免地形變化較大的地區，選擇在地形平坦的地方布置測量線，如地形在這個起伏地區進行高密度電法測試時，建議在滿足探測程度的條件下選擇較大的電極距離。高密度電法是淺層采區探測的有效探測方法，已被廣泛應用，但表層低電阻以上的屏蔽作用，以上規模和形態難以準確判斷等局限性，建議在探測條件復雜的地區，采用多種偵察方式進行綜合探測和解釋，以提高探測的準確性。

結論

本次研究主要利用了電阻率法和勘探深度反演方法，在大量的文獻閱讀和現場實測的基礎上，通過理論推導，采用了高密度電法的原理及工作參數，并結合實際數據資料進行分析計算，最終得到以下結論：（1）運用該方法，可以對采空區的地質條件有一個較為全面的了解；（2）用該方法，能夠對采空區的空間分布情況有一定的掌握；（3）用該方法，能為礦井的生產建設提供可靠的依據；（4)使用高密度電法，不僅能提高效率，還可降低成本，為礦井的安全運營創造有利的前提作用。但是由于野外的觀測環境比較差，因此要在實踐中不斷地完善，才能使結果更精確。隨著時間的推移以及技術的進步發展，相信未來的水平會更加成熟。總之，我們應該積極的應用高密度電法，使其更好地服務于煤礦的開采事業。同時也要加強工作人員的培訓力度，增強他們的專業技能，以便于后期的維護保養。