高密度電阻率法在礦山巖溶探測中的應用

田昌貴，元宙昊

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

0 引 言

青山河位于湖北省大冶市銅錄山礦區西側，該河中下游段與該礦南露天坑的距離約500m，河床流域內的巖溶發育帶與礦區相連.礦山的長期疏干排水導致青山河流域巖溶塌陷，洪水期河水倒灌流入礦坑.礦山曾多次采用堤壩加固、回填封堵塌陷區等方法治理，但收效甚微.地下水長期對河床底部沖刷和掏蝕，導致每逢汛期河床便再次復活塌陷，河水和大冶湖水通過復活的塌坑、巖溶裂隙流入礦坑，嚴重威脅礦山安全生產.為了徹底解決礦山水患問題，采用高密度電阻率法探測了解河床底部的巖溶發育特征及礦區的地下水主徑流通道，并根據探測成果對河床底部巖溶進行了注漿加固試驗，有效地封堵了小清河河水及礦區地下水流入礦坑的主徑流通道，消除了河床巖溶塌陷復活、洪水倒灌對礦山安全生產的威脅.

1 高密度電阻率法的基本原理及特征

1．1 高密度電阻率法的基本原理

20世紀70年代末期英國學者Johansson提出了高密度電阻率法的最初模式（電測深偏置系統）［1］，80年代中期日本地質計測株式會社借助電極轉換板轉換電極排列方式實現了野外高密度電阻率法的數據采集，80年代后期我國原地質礦產部開始了高密度電阻率法及其應用技術研究［2］.高密度電阻率法的基本原理與常規直流電阻率法相同，以探測目標體與周圍物質導電性差異為基礎，在人工電流場的作用下，通過觀察和分析視電阻率的變化規律來分析地質問題［3］.高密度電阻率法可以在探測斷面上同時布置多個電極，通過電極轉換裝置控制電極的不同排列組合（如α、β、偶極、施倫貝謝和溫納－施倫貝謝等［4］）可以同時完成測剖面和測深工作，可以提供更加豐富的地斷面信息，有利于分析和比較，見圖1，其中a為極間距.

圖1 高密度電阻率法電極排列示意圖Fig．1 Common arrays used for high density resistivitymethod

1．2 高密度電阻率法的特點

高密度電阻率法具有測點密度高，獲取信息量大，對探測對象無損傷，成果精確、工作效率高等特點［5］.與常規電阻率法相比具有如下優點：①電極布設一次性完成，有助于減少因電極設置引起的干擾和故障，減小測量誤差；②通過轉換電極排列方式可獲得豐富的地電斷面信息；③采用自動化的數據采集方式，不僅可以提高數據采集效率，還可以減小人工操作造成的誤差；④可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態.

2 測區概況

本次高密度電法探測剖面布設在銅錄山青山河兩岸和露采坑西南側半坡路面.青山河河床及其兩側為第四系沖積亞粘土，細—中砂、砂礫石巖層.結構松散，穩定性較差.其下為三疊系碳酸巖地層，巖溶發育，富水性強.近地表淺部發育有溶洞、開口型的洞穴及溶溝.礦床開采過程中不斷疏排地下水，引起區域地下水位下降，溶洞、洞穴上部第四系土層失去了地下水的“浮托力”，同時在地下水潛蝕、掏空、搬運第四系土層及溶洞、洞穴充填物的作用下，自然條件下的相對平衡遭到了破壞，導致河床出現下沉、開裂、塌陷現象.為了解礦區地下水流入礦坑的主徑流通道，采用了高密度電阻率法探測礦區地下巖溶分布特征及規律.

3 工作方法與技術

本次外業資料采集采用WGMD－9超級高密度電阻率法系統，該系統具有抗干擾性強、自動實現自然電位及電極極化補償、可隨時檢查接地電阻等優點.經現場初步試驗后，決定在青山河岸Ⅰ、Ⅱ號剖面采用溫納裝置，露采坑南側 Ⅲ號剖面綜合采用溫納裝置、斯倫貝謝裝置.測線參數如表1所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面位置如圖2、3所示.

表1 測線參數表Table 1 Survey line parameters

圖2 物探測試Ⅰ、Ⅱ號剖面位置圖Fig．2 Position of profile 1 and 2 by geophysical test

4 測試成果解釋

外業采集的數據經過圓滑處理后，輸入計算機進行二維、三維反演后獲得地電斷面信息，數據圓滑處理一般采用壞點剔除和滑動平均等方法［6］.二維反演計算采用基于準牛頓最優化非線性最小二乘新算法，其計算速度可以達到常規最小二乘法的10倍以上.反演結果主要通過均方誤差（RMS）來衡量［7］，RMS越大，反演結果的可靠度越低.通過多次迭代可以減小均方誤差，為保證反演結果的可靠度，本次探測成果采用五次迭代反演.

4．1 青山河東岸Ⅰ號剖面

Ⅰ號剖面位于青山河東岸，外業采集的兩條溫納裝置數據剖面反演成果一致性良好，實測數據可以客觀反映測區的地電條件，數據成果可靠.

高、低阻區在斷面上有清楚的反映，在斷面上存在1#、2#兩個低阻異常體（見圖4），根據地質資料綜合推測兩處為強巖溶發育地段.1#異常體平面位置位于測點號53～96m處，上頂埋深約7m，下底埋深約25m，呈漏斗狀，推斷為強巖溶發育區.2#異常體平面位置位于測點號115～150m處，與現場塌方處一致，異常上頂埋深28m，由于探測深度的原因，異常下部沒有閉合，下底埋深大于40m，推斷為強巖溶發育區.

4．2 青山河岸Ⅱ號剖面

Ⅱ號剖面位于青山河西岸，平面位置與Ⅰ號剖面隔河對稱，外業采集的兩條溫納裝置數據剖面反演成果一致性良好，實測數據可以客觀反映測區的地電條件，數據成果可靠.

高、低阻區在斷面上有清楚的反映，在斷面上存在3#、4#兩個物探異常體（見圖5），根據相關地質資料綜合分析推斷這兩處為巖溶發育地帶.3#異常體平面位置位于測點號53～98m處，上頂埋深約9m，下底埋深約22m，推斷為強巖溶發育區.4#異常體平面位置位于測點130～172m處，與現場塌方處一致，異常上頂埋深5m，下底埋深17m，推斷為強巖溶發育區.

圖4 Ⅰ號剖面地質解釋圖Fig．4 Geological interpretation of profile 1

圖5 Ⅱ號剖面地質解釋圖Fig．5 Geological interpretation of profile 2

4．3 Ⅰ、Ⅱ號剖面對比分析

Ⅰ、Ⅱ號剖面所反映的地層吻合度較好.都存在兩個高阻區即兩個完整性較好的灰巖巖體，其中，Ⅰ號剖面完整性較好的灰巖巖體被埋深較大的巖溶隔開，Ⅱ號剖面因巖溶埋深較淺，探測成果反映兩個完整性較好的灰巖巖體連成一片.1#、3#巖溶區的形態、位置、埋深基本一致，推斷為同一巖溶發育區.2#、4#巖溶發育區分別與現場塌方處一致，2#巖溶發育區埋深大，4#巖溶發育區埋深小，2#巖溶發育區位置較4#巖溶發育區偏北，推斷為同一巖溶發育區.該巖溶發育區走向北北東，沿南南西向下延伸，延伸深度大于40m，形成的空洞較大、較深，這正是此處塌方的原因之所在.

4．4 露采坑南側 Ⅲ號剖面

Ⅲ號剖面位于露采坑南側半坡路面，外業采集了兩條溫納裝置的數據剖面和一條斯倫貝爾裝置的數據剖面，三個剖面反演成果一致性良好，實測數據客觀地反映了測區的地電條件，數據成果可靠.

Ⅲ號剖面存在5#、6#兩個物探異常體（見圖6）.根據相關地質資料，剖面所處地層：測點0～410m為中下三疊統白色中粗粒大理巖，測點410～590m為石英正長閃長玢巖，測點410m處附近為巖性接觸帶，接觸帶大角度傾向東南.因此，接觸帶與Ⅲ號剖面在測點410m處附近呈近似正交且大角度傾向大測點號方向.

圖6 Ⅲ號剖面地質解釋圖Fig．6 Geological interpretation of profile 3

5#異常體平面位置位于測點號260～325m，上頂埋深約18m，下底埋深大于90m，異常平面呈垂向延伸、陡立狀，推斷為金屬礦化低阻體或裂隙發育帶.6#異常體平面位置位于測點365～450m，上頂埋深17m，下底埋深70m，異常平面近似等軸狀.該異常為復合異常體，異常的主體為礦坑陡立金屬排水管群，異常右邊界為接觸帶右邊界的反映，物探成果顯示的巖性接觸帶位置與現場地表出露的巖性接觸帶走向基本吻合，接觸帶呈大角度傾向剖面大測點號方向.

5 結 語

高密度電法重復觀測成果資料一致性良好，實測數據客觀地反映了測區的地電條件，數據成果可靠.后期對青山河沿岸物探異常體進行鉆孔驗證，發現實際地質情況與物探結果基本相符.通過對河床巖溶塌陷進行注漿充填，封堵了小清河巖溶塌陷區與礦坑之間的主徑流通道，基本消除了豐水期洪水通過河床塌陷灌入礦區礦坑的風險.本案例說明先通過高密度電阻率法探測出巖溶分布特征及規律，然后采用帷幕注漿技術對礦區地下水流入礦坑的主徑流通道進行重點封堵，不僅可以大幅降低治水成本，而且可以達到較好的堵水效果.該方法在類似巖溶礦山的地下水防治中可以推廣使用.

致 謝

感謝武漢工程大學對本研究的資助！

［1］李金銘，羅延鐘．電法勘探新進展［M］．北京：地質出版社，1996．LI Jin－ming， LUO Yan－zhong．Development of resistivitymethod［M］．Beijing：Geological Publishing House，1996．（in Chinese）

［2］董浩斌，王傳雷．高密度電法的發展與應用［J］．地質前緣，2003，10（1）： 171－176．DONG Hao－bin， WANG Chuan－lei．Development and application of 2D resistivity imaging surveys［J］．Earth Science Frontiers，2003，10（1）：171－176．（in Chinese）

［3］王興泰．高密度電阻率法及其應用研究［J］．長春地質學院學報，1991，21（3）： 341－348．WANG Xing－tai．High density measurementmethod of electrical resistivity and its application technics ［J］．Journal of Changchun University of Earth Science，1991，21（3）：341－348．（in Chinese）

［4］馬志飛，劉鴻福，葉章．高密度電法不同裝置的勘探效果對比［J］．物探裝備，2009，19（1）： 52－56．MA Zhi－fei， LIU Hong－fu， YE Zhang．Comparison of exploration effect for different devices of high－density electrical prospecting ［J］．Equipment for Geophysical Prospecting，2009，19（1）：52－56．（in Chinese）

［5］王興泰．工程與環境物探新方法新技術 ［M］．北京：地質出版社， 1996：108-109．WANG Xing－tai．New technology and new methods for engineering and environmental geophysics ［M］．Beijing：Geological Publishing House，1996：108－109．（in Chinese）

［6］石林珂，劉洪一，冷元寶．高密度電阻率法在采空區探測中的應用［J］．華北水利水電學院學報，2010，31（5）： 122－124．SHILin－ke ，LIU Hong－yi， LENG Yuan－bao．Application of high density－resistivity method in mined－out god area detecting ［J］．North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2010，31 （5）：122－124．（in Chinese）

［7］李美梅．高密度電阻率法正反演研究及應用 ［D］．北京：中國地質大學（北京），2010.LI Mei－mei．The research of high density resistivity method of positive and negative numerical modeling［D］．Beijing：China University of Geosciences （Beijing），2010．（in Chinese）