高密度電法在云南省昭瀘高速公路采空區探測的應用

黃陽 許定倫 唐侃 鄧海明 黃志剛 孔令偉 柴建勛

（昭通市昭瀘高速公路投資開發有限公司 云南昭通 657000）

我國礦山采空區分布廣，礦山隱伏空區不利于邊坡穩定，成為影響礦山安全的重大危險源之一［1］。在云南省昭瀘高速公路牛場互通K29+380～+700 段左右兩側斜坡，分布有較多規模小的老礦道。老礦開采時間多較長，解放前后均有開采，多采用巷道式開采，長度幾十米，深度一般小于20m，為淺部采煤；因煤層厚度不大，且煤厚不穩定，開采技術條件差，無大規模成片采空區分布。然而未知采空區對于道路及邊坡穩定性存在不良影響［2］，因此，有必要對這一區域進行勘察。目前，所有煤窯由于停采時間較長，均已坍陷，無法準確勘察。鉆孔方法不僅費時、費力、費錢，且在不清楚采空區分布的情況下，容易造成安全事故［3］。

高密度電法作為地球物理勘察手段之一，被廣泛運用于滑坡群地質災害［4］、隧道［5］、地基［6］及采空區的勘測上。李路明等將高密度電法與瞬變電磁法結合，成功劃分出了異常區［7］；劉國勇等的研究證明了高密度電法是探測積水采空區的有效方法［8］。本次項目選用觀測精度高且效率高的高密度電法［9］對選定的路線進行工程物探，通過工程物探的手段，排查昭瀘高速牛場互通附近的采空區，包括范圍、深度及采空區的頂板厚度等；采空區的巖性組合情況及地下水位情況，包括覆蓋土、基巖強風化層、破碎帶等情況，為勘察提供物探資料。

1 測區地質條件

昭瀘高速公路彝良—鎮雄段SJ-2 標段牛場互通位于昭通市鎮雄縣牛場鎮，其主線范圍為K29+285～K30+701。本互通位于牛場河的右岸斜坡地帶，地面高程1410～1460m，屬于構造剝蝕峽谷中山地貌。河谷深切，地勢險峻，斜坡陡緩相間，自然坡度12°～45°。斜坡緩坡帶為旱地，陡坡帶植被較發育，部分測區地段由于現場施工開挖，原地形已發生改變。測區范圍內有鄉村便道通過，交通方便。

待勘察區表層第四系堆積物覆蓋厚度不均，地層巖性受風化、剝蝕作用，淺部基巖可分為強至弱風化的不同物性差異層面，可形成電阻率差異界面。受構造影響，富水帶、裂隙帶、破碎帶的存在及降水與地下水的影響，亦可形成巖體的電性差異。根據已知的地質及踏勘結果，本工區大部分區域基本滿足高密度電法勘探的物理基礎。

本次高密度電法物探工作主要沿線路已變形的開挖邊坡方向布置，測線的具體布設情況見圖1。

圖1 高密度電法測線具體地理位置

2 物探工作方法及資料處理

2.1 高密度電法基本原理

高密度電阻率法最早于20 世紀80年代在日本實現［10］，其理論基礎與傳統電阻率完全相同，是一種依賴于巖土體導電性差異的物探方法。具體來說，首先是通過兩極施加外在電場，然后測量另外兩極電位差，從而求得對應記錄點的視電阻率值［11-12］。不同巖土體導電性能不一致，于是通過獲取的視電阻率剖面圖可以獲取地層分布，為后續的工程建設提供設計依據。與普通電法不同的是，高密度電法通過布設多個電極（幾十個，甚至上百個）快速完成測量工作，獲得倒梯形的電阻率圖。由于本項目的主要目的是排查煤礦巷道及采空區，排查范圍較大，所以采用高密度電法可以提高工作效率。

2.2 野外工作方法

本次野外勘探工作采用的儀器是WDJD-3多功能數字直流激電高密度電法儀。該儀器的測量電極轉換器最多可接60 路，最大供電電壓可達900V，最大供電電流可達5A，無需人工轉換電極。

采用的電極布置方法是α 排列，采用新型直流電源供電，最大供電電壓可達500v。電極距取3m和5m，即對應排列長度最大可達177m和295m。為了排除野外因素的干擾，野外勘測中需要確保每個電極最少2/3進入地表以下。

2.3 室內數據處理

室內資料處理時采用RES2DINV自動迭代反演程序，在已知地層電阻率范圍的基礎上，經過地形校正，數據平滑處理和異常突出處理［13］。通過3～5 次的迭代，滿足均方根小于10 的條件后，導出最后的電阻率等值線圖。在等值線圖上，根據視電阻率值的變化特征，輔以前期調查地質資料，以Auto-CAD 繪制出物探成果解釋圖。

3 結果分析

3.1 地層分類

本次數據處理專用軟件2dRes是以平滑約束最小二乘法（smoothness-constrained least-squares）為基礎，以擬牛頓（quasi-Newton）最佳技術為準則的最小二乘法來實現的［14］。經過數據處理后，繪制成視電阻率彩色圖及電學地質斷面圖。

通過對測試的高密度電法資料解釋成果圖進行綜合分析，發現視電阻率變化較大，結合地表及鉆孔資料，對高密度電法反演視電阻率彩色圖分析統計如下。

（1）視電阻率小于100Ω·m的地層：主要為地表耕作土、碎（塊）石類土，且土體中空穴水較富集。

（2）視電阻率在100～600Ω·m之間的地層：主要為破碎碎石土、富水帶及泥巖、頁巖、煤線破碎帶。

（3）視電阻率在600Ω·m以上的地層：主要為較破碎泥巖、頁巖、煤線。

（4）視電阻率大于2000Ω·m，且距地面約5～15m深閉合高阻：推測為煤礦巷道。

3.2 測線解釋

物探成果解釋如圖2 所示，測線視電阻率結果如圖3所示。從整體上看，視電阻率偏低，整體視電阻率主要在600Ω·m以下；表層呈現大片低阻帶，視電阻率主要在100Ω·m 以下。結合現場測試及施工情況，測線136～160m從地表向深部延伸的低阻帶推測為富水破碎帶；視電阻率主要在100～600Ω·m 之間的，推測為中風化泥巖；在240～245m、470～540m 之間距地面約5～10m 深有閉合高阻，視電阻率大于2000Ω·m，推測有空洞（或煤礦巷道）。

圖2 高密度電法物探解釋圖

圖3 測線0~750m 視電阻率勘察結果

需要說明的是，測線部分位于房屋中，現場測試采取繞避，且工區地形較陡、現場雨水較多、拆遷房屋遺留建渣和測區表層由于邊坡開挖堆積的碎石和基巖碎塊對數據采集質量有一定影響，對物探成果解釋造成一些不確定性，應結合地表地質調查和鉆探等資料進行分析。

4 結語

本次物探勘察按照行業標準進行了野外勘察，根據技術規范進行了資料處理，能夠保證物探結果客觀反映了所測地段的地質地球物理情況。

結合本區地質調查資料、鉆探資料及物探成果，測線240～245m、470～540m 之間距地面約5～15m 深有閉合高阻，視電阻率大于2000Ω·m，推測有空洞或煤礦巷道。其他測線尚未發現大型采空區，整體推測可能存在巖體破碎、富水的結果。

高密度電法成果資料中，由于其異常成果為地下各種地質體異常的綜合反映，對異常區進行鉆孔比對后，驗證了高密度電法適用于采空區的勘測。