高密度電法在北京山地小窯采空區(qū)勘探中的應(yīng)用分析

李紅義，慈偉主，秦睿，朱琪

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

北京市部分山地間煤炭小窯開采歷史久遠(yuǎn)，門頭溝區(qū)小煤窯礦口數(shù)量甚至達(dá)數(shù)千個，其大多數(shù)被局部坍塌所掩蓋，且無完備的存檔資料可供查閱，采空區(qū)信息嚴(yán)重缺失[1]，對北京山地的開發(fā)和建設(shè)造成嚴(yán)重影響。高密度電法具有數(shù)據(jù)采集密度大、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等特點，技術(shù)成熟，在地質(zhì)勘察中運用較為普遍[2]。張光保[3]通過高密度電法勘察了青海褚家營巨型滑坡的厚度以及滑動面。楊智杰[4]應(yīng)用高密度電法對吉林大石溝泥石流的探測進(jìn)行研究。高武平等[5]應(yīng)用高密度電法對青藏日喀則地區(qū)隱伏斷裂進(jìn)行探測。鄭智杰等[6]應(yīng)用高密度電法對廣西柳州太陽村巖溶塌陷區(qū)的地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查。付德俊等[7]應(yīng)用高密度電法勘探湖南某房建項目的地基基礎(chǔ)巖溶。本文應(yīng)用高密度電法對北京山地某建筑項目的小窯采空區(qū)進(jìn)行勘察，并采用鉆孔的方式進(jìn)行驗證，以分析其對北京市門頭溝區(qū)山地小窯采空區(qū)勘探的適用性。

1 工程概況

1.1 工程場地現(xiàn)狀

北京山地某建筑項目處于近東西向山梁與南西-北東向沖溝之間的斜坡區(qū)域，地勢北高南低，西高東低，平整后地形呈多級臺坎狀，如圖1所示。場區(qū)受馬鞍山背斜和印支期韌性剪切-固態(tài)流變及隆起運動的影響，巖層扭曲、揉皺嚴(yán)重，次級褶皺、斷層發(fā)育，導(dǎo)致巖體普遍破碎、地層產(chǎn)狀變化大。區(qū)內(nèi)核部地層未揭露，南北兩翼地層為二疊系下統(tǒng)岔兒溝組砂巖、礫巖及炭質(zhì)泥巖。

圖1 地形地貌圖

1.2 工程采空區(qū)現(xiàn)狀

建筑項目場地已有數(shù)百年煤礦開采歷史，以三個集體礦為主，延展為眾多小窯礦井。小窯開采區(qū)受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的影響在礦層區(qū)內(nèi)的走向和厚度變化較大。采取平硐放頂，人力鎬采的方式開采，導(dǎo)致開采區(qū)的規(guī)模與深度有限。圖2、圖3為現(xiàn)場的采空區(qū)跡象。

圖2 采空區(qū)塌陷

圖3 采空巷道

2 高密度電法勘探采空區(qū)

2.1 高密度電法

高密度電法以巖石和土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測人為的地下電流場的分布規(guī)律以探究地質(zhì)問題，電場分布滿足下列微分方程[8]：

式中：U為電位，I為供電電流，σ為電導(dǎo)率，δ為沖激函數(shù)，為拉普拉斯算子，x0,y0,z0為電源坐標(biāo)，x,y,z為電場點坐標(biāo)。

高密度電法的工作原理如圖4所示。

圖4 高密度電法工作原理圖

2.2 現(xiàn)場勘探

應(yīng)用澳大利亞ZZ Resistivity Imag?ing研發(fā)的FlashRES 64多通道超高密度直流電法勘探系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為保證測線的地形修正數(shù)據(jù)精確和異常區(qū)定位準(zhǔn)確，測線的每個測點采用RTK記錄空間位置。根據(jù)勘探工作的目的要求，采用測線長度選用63m～126m，電極距選取1m～2m的布設(shè)方式。

本文選取部分具有代表性的高密度電法電阻率反演圖進(jìn)行分析，如圖5所示。

如圖5所示，圖5（a）所示斷面中60m處有明顯高阻異常，圖5（b）所示斷面中53m處存在明顯高阻異常，圖5（c）所示斷面中2m處存在明顯高阻異常，圖5（d）所示斷面中33m處存在明顯高阻異常，圖5（e）所示斷面中32m處存在明顯高阻異常，圖5（f）所示斷面中31m處存在明顯高阻異常。根據(jù)高密度電法原理，可推斷出此六處疑為小窯采空巷道或空洞。

2.3 鉆孔驗證

物探具有多解性，對圖5中的高阻異常區(qū)的解譯需要借助鉆孔的方式驗證其正確性，鉆孔資料如圖6所示。

圖6中各鉆探芯樣依次與圖5中各高密度電法電阻率反演圖的高阻異常區(qū)一一對應(yīng)，均揭露出空洞或塌落充填的巷道，即通過鉆孔驗證了高密度電法勘探出了小窯采空巷道，進(jìn)一步說明了高密度電法對分析北京山地小窯采空區(qū)具有較好的適用性。

圖5 高密度電法電阻率反演圖

圖6 鉆探芯樣圖

3 影響因素

3.1 地形的影響

對高密度電法電阻率反演圖進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)在部分斜坡處較普遍地出現(xiàn)高阻異常區(qū)，如圖7所示。

圖7 斜坡處的高密度電法電阻率反演圖

分析發(fā)現(xiàn)斜坡多由施工開挖造成，在施工開挖過程中，斜坡處原始平衡狀態(tài)遭到破壞，巖體發(fā)生局部或整體的變形和破壞，巖體松動，出現(xiàn)裂隙，從而對應(yīng)地在高密度電法電阻率反演圖中出現(xiàn)高阻異常區(qū)，導(dǎo)致對小窯采空區(qū)誤判。

3.2 高頻屏蔽的影響

對高密度電法電阻率反演圖進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)部分明顯存在空洞的位置（如圖8所示），出現(xiàn)大面積高阻異常區(qū)（如圖9所示），致使無法識別出存在的空洞。

圖8 存在空洞的位置

圖9 存在高頻屏蔽的高密度電法電阻率反演圖

分析發(fā)現(xiàn)空洞下存在體積較大的一塊完整巖塊，其電阻率值較高，導(dǎo)致空洞處形成的高電阻率值相對不明顯，出現(xiàn)高阻屏蔽現(xiàn)象，掩蓋了對應(yīng)空洞處應(yīng)出現(xiàn)的高阻異常區(qū)，導(dǎo)致無法識別出空洞位置。

4 結(jié)論

本文以北京山地某建筑項目的小窯采空區(qū)為研究對象，研究高密度電法勘探北京山地小窯采空區(qū)進(jìn)行的適用性，結(jié)果表明：

①高密度電法具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大的特點，對勘探北京山地小窯采空區(qū)具有較好的適用性；

②高密度電法受地形、高頻屏蔽的影響較大，在高密度電法電阻率反演圖中對應(yīng)的位置，出現(xiàn)高阻異常區(qū)，分別造成小窯采空區(qū)的誤判和無法識別。