采空區探測高密度電阻率法的應用

李遠強

(北京市地質研究所,北京 100120)

北京市門頭溝區和房山區煤礦開采歷史久遠,開采最早在元代,至今已有800多年.煤層主要分布于石炭-二疊煤系地層,厚度0.5～10多米不等.解放前長時間內的小窯無序開采其深度較淺,一般為幾十米,個別達到100m;解放后的國礦開采深度較大,按照安全規定采掘.改革開放后,私營煤礦超采超挖現象嚴重,少有礦井資料,關閉后留有許多隱患.北京平谷地區金礦歷史開采,留下諸多未知采空區.

隨著現代經濟的快速發展,為增加土地利用,采空區的勘查顯得尤為重要.近十年來,高密度電阻率法為地下采空區探測做了大量的工作,取得了良好的效果.

1 高密度電阻率法

(1)基本原理

高密度電阻率法的基本原理等同于常規電阻率法,它是利用不同地層巖石所具有的電性差異,通過地表不同電極距的設置采集到地下不同深度的視電阻率值,再對蘊含有各種地質體信息的視電阻率值,采用數據處理、成圖及解釋,從而推演出地質體的大小、形狀、分布和特征[1].高密度電法與常規電法相比,它具有以下優點:①由于電極的布置是一次完成的,測量過程中無須跑極,因此可防止因電極移動而引起的故障和干擾;②在一條觀測剖面上,通過電極變換或數據轉換可獲得多種裝置的ρs斷面等值線圖;③可進行資料的現場實時處理與成圖解釋;④成本低,效率高[2].

(2)探測方式

高密度電阻率法常用的電極裝置有:①溫納裝置(AMNB),對接地條件差,供電干擾嚴重,采用該裝置有一定的優勢[4];②偶極裝置(ABMN);③微分裝置(AMBN);④施倫貝爾裝置(A-MN-B),也可采用二極、三極、自電、充電裝置等.高密度電阻率法的觀測方式分為兩類:剖面類觀測和測深類觀測.

只要場地條件許可,盡量采用剖面類觀測方式,尤其是首選溫-施剖面裝置,因為這種觀測方式真正集中了電剖面和電測深法的優點,其采集點分布更均勻合理,在不少場合、不同要求的勘探項目中都可以取得好的效果.如果條件許可,盡可能采用多種裝置方式進行測量,因為每種排列方式的供電電極和測量電極位置不同,對異常體的分辨能力和探測深度有很大的關系.針對地形地質條件和不同的探測目的,選取合理的裝置排列是取得良好探測效果的關鍵.

2 野外工作及數據處理

(1)野外工作

野外測線布置是探測工作的重要前提,測線要盡量保持一條直線,并垂直于探測地質體的走向.測線彎度過大、過急均會影響到探測數據的質量.

接地電阻的大小也對探測數據有很大的影響,一個電極接地電阻過大,會影響一組數據,不利于后期資料的處理和解釋.故保持每個電極的接地電阻大小相當,才能保證采集到高質量的數據.通常采用澆水(或鹽水)、加大深度、挖坑填土、增加電極、堆土和小范圍移動的方法來減小接地電阻,提高數據質量.如果某個電極接地電阻過大,后期剖面圖像會出現"對稱雙八字"干擾異常.

(2)數據處理

高密度電阻率法數據處理軟件主要有:吉林大學Geogiga RTomo數據處理軟件、中國地質大學(武漢)研制的2.5維電阻率成像系統、河北廊坊中石油物探所的"電法工作站"和瑞典的Res2dinv數據處理軟件.其數據處理模塊大體類似,處理之前均需要進行數據格式轉換,主要處理流程包括壞點剔除、水平垂直圓滑濾波、設置深度調整系數、地形改正和反演.根據探測現場的實際情況,不同的裝置宜采用不同的數據處理參數,方可達到最佳探測效果.這需要認真分析地形地質條件、干擾因素、水文條件等資料,也需要經驗積累.

原始數據等值線剖面圖是數據處理過程中的中間圖件,在解釋工作中不應忽視,好的原始數據剖面圖上可直接清楚地反映出異常.在有條件情況下,可以使用兩種以上軟件進行反演處理,反演結果剖面圖要對比分析,再結合實際地質、水文等條件、參考原始數據剖面進行綜合解釋,使解釋結果合理.

對于地形平緩、接地條件好和數據質量高的剖面,其反演成果剖面可信度高;對于接地條件差和原始數據質量較差的數據,其反演成果剖面往往會誤導解釋結果,此時要多參考原始數據等值線剖面圖.通常情況下,地層分層、定性分析多用視電阻率剖面(原始數據);對于局部采空異常,則用反演剖面進行范圍圈定較好.

3 探測實例

(1)門頭溝南港采空區探測

工作區處于門頭溝中部的低山區,總體地勢南高北低,地表分布有第四系松散覆蓋層.出露地層為侏羅系南大嶺組(J1n)和窯坡組(J1y),南大嶺組巖性為暗綠色玄武巖,夾凝灰巖、火山角礫巖、砂巖和頁巖等;窯坡組是含煤地層,巖性為深灰-灰黑色含礫粗砂巖、石英砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層.區內地層總體為單斜構造,地層產狀170°∠20°.可采煤層有一、二、五、七、九槽煤,煤層厚度變化較大,0～8.27m,均厚0.95～1.90m.解放前該地區煤礦己大量開采,改革開放后,個人和集體有大量開采,最大的集體馬各莊煤礦已于兩年前停采.工作區內有孔隙水、構造裂隙水和風化裂隙水巖組,井田開采后,地下水由巷道排泄,目前地下水位較大.

測線垂直于煤線方向近南北向布置,共布置電極60根,間距10m,采用溫納排列裝置.現場接地條件較好,接地電阻均小于1kΩ,采集數據質量可靠.后經Res2dinv數據處理軟件地形改正、濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖1).

從視電阻率剖面圖上分析:①整體電阻率值較高,均值 1600Ω.m左右,反映出地下巖體干燥不含水的特性.②局部出現了大于4000Ω.m的高阻異常區,其中測線170～220m處深70m存在一封閉高值異常區,最高值8500Ω.m,推測為一采空區.③測線415～440m處深20m的一封閉高值異常區,最高值達10000Ω.m,推測為一淺部小窯采空區.④測線165m、225m、260m處深20m的3個封閉高值異常區,視電阻率值不是很高,僅有3000Ω.m,推測為淺部小窯采空區坍塌后充填泥沙.

該測線采空異常清晰,深部、淺部異常效果良好,是典型的采空區高阻異常反映.在測線175m處曾進行過鉆探施工,在60m處遇到了采空區,凈高4m,驗證了該異常的準確性,證明了高密度電阻率法探測采空的有效性.

(2)門頭溝圈門采空區探測

圈門地處門頭溝西部黑河溝谷內,地形北高南低,坡度小于5°,地表有松散堆積物(沖洪積物)覆蓋;地層有中生界的窯坡組(J1y),地層產狀為355°∠25°,巖性以中厚層砂巖為主,夾粉砂巖和泥巖,礫巖,含5層可采煤層,厚度0～2.6m.該區煤礦開采歷史久遠,淺部分布大量小窯采空區,深部存在國礦采空區.由于該區域地勢較低,國礦門頭溝煤礦已停采十多年.

測線垂直于煤層走向近南北向布置,共布置電極60根,間距5m,采用溫納和施倫貝爾排列裝置.現場接地條件較好,接地電阻均勻介于2～3kΩ,采集數據質量可靠.后經Res2dinv數據處理軟件濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖2).

從視電阻率剖面圖上分析:①表層電阻率值較高,均值 150Ω.m左右,是地表松散堆積物的反映.②局部出現了1Ω.m的封閉低阻異常區,如測線60～85m處深20m、170～195m處深25m和215～240m處深15m存在3個異常區,最低值0.24Ω.m,推測為3個淺部小窯采空區,存在積水.③測線100～150m處深20m以下的一半封閉低值異常區,推測為一淺部小窯積水采空區.該剖面也是典型的低阻異常積水采空反映剖面.

該測線溫納裝置剖面(圖3),其表層電阻率的高阻特征反映了淺表松散堆積物,深部的低值異常范圍較大,橫向分辨率不及施貝排列剖面.這是因為溫納裝置電極排列AM=MN=NB=nX5m(n為正整數),而施貝裝置電極排列MN=5m、AB=nX5m(n為正整數),也就是在相同AB供電間距的情況下,施貝裝置要比溫納裝置橫向多采樣n-1個點,其橫向分辨率明顯提高.因此,對于淺部小采空異常,施倫貝爾排列優于溫納裝置,可以取得更好的探測效果.

在測線225m處進行鉆探驗證,堆積物厚5m,在14.7m處遇到采空,采空高1.3m.采空充填物為碎石、碳質淤泥(含水).濕的淤泥表現為低電阻率,由此可見,圖像解釋時判定低值異常為采空區是正確的.

(3)平谷上鎮金礦采空區探測

工作區處于平谷區北部的低山丘陵區,地勢總體較平坦,北高南低,地形坡度3°,地表為松散層覆蓋,雜填土和粘質粉土.出露地層為太古代密云群沙廠組(Ary),巖性為黑云母角閃片麻巖.含金石英礦脈產狀20°∠30°,分布密集,間隔3～30m,脈厚2～100cm.該地區金礦開采歷史較長,形成一定規模的地下采空區.金礦采空區不同于煤礦采礦區,其開采范圍小,頂部圍巖不易冒落.工作區內有構造裂隙含水巖組和風化裂隙含水巖組,目前地下水位較深,35m以下.

測線垂直于金礦脈走向布置,共布置電極60根,間距5m,采用溫納排列裝置.現場接地條件較好,接地電阻均在2kΩ左右,采集數據質量可靠.后經Res2dinv數據處理軟件濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖4).

從視電阻率剖面圖上分析:①淺部松散覆蓋層呈低阻反映,視電阻率值小于120Ω.m,反映出覆蓋層西側厚東側薄的分布特征.②深部巖體呈高阻反映,視電阻率值在400Ω.m左右.③在測線200～235m處深0～29m存在一半球形低值異常區,該區域地面發現有塌陷坑,故推測該區域為一采空區,低電阻率反映采空區充水.

該測線采空異常為半封閉低阻異常,結合地表調查結果判定為采空區.后在測線218m處鉆探施工,在11.3m深處遇到了采空區,凈高2.7m,底部含碎石、粘土(濕).驗證了該低阻異常為采空.并依據此異常確定了采空區的橫向邊界.

4 結語

采空區高密度電阻率法探測取得良好的效果,從開始測線布置、電極裝置、數據處理到最后剖面解釋,每個過程都需要處理好技術要點.高密度電阻率法探測的異常沒有固定模式,高阻、低阻異常都可能是采空區,封閉或半封閉也是異常的特征之一.所以,異常解釋中一定要根據現場地電條件、干擾因素,緊密結合地表、地質、水文等情況進行綜合分析,才能做到準確結論.

[1]傅良魁等,電法勘探教程[M],北京:地質出版社,1994.

[2]李金銘,《地電場與電法勘探》,北京:地質出版社, 2005.

[3]謝忠球等,提高高密度電阻率成像分辨率的數據處理技術,湖南省地球物理論叢(2001).

[4]李清林等,《地電成像及其在地學領域中的應用研究》,北京:地震出版社,2010.

[5]北京市地質研究所,《北京市門頭溝區王平鎮南港村地下采空勘查報告》,2008.

[6]北京市地質礦產勘查開發局,北京市地質研究所.《北京門頭溝規劃新城前期區域工程地質勘查報告》,2010.