高密度電阻率法在遼陽興隆鐵礦突水點勘探中的應用

張國偉

摘 要：本文首先分析討論了采空區突水點的形成的原因和過程，采空區突水點的地質特征及地球物理特征。本文有所不同的是在鐵礦采空區突水問題，解決的問題思路是從低阻、低波阻抗中尋找異常，從普遍性中尋找特殊性，所以本文從鐵礦采空區突水點的物性基礎出發，按照不同物探方法原理篩選，以高密度電法勘探最為優先，在放大電阻率背景的前提下尋找電性異常。文章以實例闡述高密度探測采空區突水點的可行性。通過對實際鐵礦采空區突水點的電法斷面分析研究，歸納總結了鐵礦采空區突水點在電法斷面上的反映特征和識別標志。

關鍵詞：高密度；電阻率；采空區；突水點

0.引言

近年來隨著國民經濟的快速發展，礦山開采日益繁榮，但在大規模開采過程中礦井突水事故頻發。礦井中突水主要是在掘進或采礦過程中當巷道揭穿導水斷裂、富水溶洞、積水老窟，大量地下水突然涌入礦山井巷的現象。在富水的巖溶水充水的礦區及頂底板有較厚高壓含水層分布的礦區，在構造破碎的地段，常易發生礦井突水。當巷道底板下有間接充水層時，便會在地下水壓力和礦山壓力作用下，破壞底板隔水層，形成人工裂隙通道，導致上部高壓地下水涌入井巷造成突水。

本文通過遼陽市弓長嶺區興隆鐵礦內采掘空區突水點為研究對象，利用高密度電阻率法，還原采空區下原始地質形態及結合巖性反演技術解釋實際地質構造，排除安全隱患，探查采掘空區內突水點情況。

1.高密度電阻率法的原理及特征

直流高密度電阻率法屬于電阻率法范疇，它是為了實現環境地質調查和解決水文工程問題而研制的一種陣列電探系統。該系統包括兩部分： 數據采集系統和數據處理系統。數據采集時只需將電極一次布設完成，之后即可對剖面進行數據觀測。一次觀測即可完成剖面的二維勘探，既能完成所探測異常體在某一深度上沿水平方向巖性變化，也能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規律，獲取較為豐富的地電信息[1]。

與常規電法相比，高密度電阻率法工作效率高，勞動強度低，探測精度較高，高密度電法在電極布設和觀測形式上做了改進，使電法勘探的智能化程度大大提高[2]。

2.采空區及勘探區域電性特征分析

當采空區保存完整且基本上未充水時，在電性上是典型高阻體；采空區塌陷且基本上未充水時，亦為高阻體；而采空區充水或塌陷充水時，則將成為低阻體，且隨水的含鹽度與塌陷溶融狀態而有程度上的不同。

通過對該地區地質資料及物探資料的收集，可以大致對勘探區域內電性特征有了初步了解。淺部第四系亞粘土、礫砂較薄，深度3-8m左右為高阻顯示，電阻率范圍為18-40Ω·m；中部風化帶富水區為低阻顯示，深度變化區間在4-22m左右，電阻率3-15Ω·m；下部太古界鞍山群茨溝組地層為高阻顯示，深度22m以下，電阻率45-60Ω·m；磁鐵礦脈為特低阻顯示，電阻率為10-4-6*10-3 Ω·m；采空區充水為低阻顯示，電阻率為5-18Ω·m，采空區未充水為高阻顯示，電阻率為20-35Ω·m。

3.數據采集

3.1采集原理

采集的數據均按剖面數由小到大的順序分層存儲，每增大一個剖面系數則該層數據量減3，結果為梯形區域，顯示為梯形圖形和影像。當兩者的通道總數為120道，最小剖面數nmin=1，最大剖面數nmax=30時，單排列溫納共采集2205個視電阻率數據；工作中每排列的文件名以測線號和裝置模式為前提，便于檢查、存儲。

3.2探測裝置

本次工作采用2m點距的溫納（WN）裝置進行施工。所謂溫納裝置，即等比對稱四極裝置，其電極排列規律是：A，M，N，B（其中A，B是供電電極，M，N是測量電極），AM=MN=NB為一個電極間距，隨著剖面數n由n（min）逐漸增大到n（max），四個電極之間的間距也均勻拉開。該裝置適用于固定斷面掃描測量，其特點是測量斷面為倒梯形[3]。

4.數據處理

結合本區地質任務，制定處理流程，并選擇合適的處理參數，針對采空區資料進行保留采空區特點和減少采空區影響的二次處理，采用線性濾波，減少畸變。

外業采集的原始數據經檢查驗收后，轉入計算機回放，由RE S2DINV高密度電阻率數據二維反演軟件完成，使用快速最小二乘法對電阻率數據進行反演，反演過程壓制系數隨厚度的增加而增加，為穩定反演過程，壓制系數隨層深度增加以1.2倍增強，迭代次數通常使用3-6次，收斂誤差值一般不大于5%。并用GRAPHER、WINSURF軟件對反演結果進行整理，繪制出曲線及斷面圖等。

5.高密度解釋成果

5.1剖面解釋

測線分布為北東向，線長為240m ，測線的小號端位于測區西南端。該電性剖面總體看也分三個電性層，也是高-底-高形式的電性反應，但是淺部電性層較薄，且電阻率值也較低，基本是黃色區域，厚度大約在3-4m 左右，中部的低阻區域應為強弱風化帶的反映，即藍—綠色區間，該層段較穩定，深度范圍在4-20m 之間，藍色區域推斷富水性較好，在此區段有3個藍色警示點，分別在58m下方、107 m下方和178 m下方；下部的紅色高阻區（即20 m以深），應該是太古界鞍山群茨溝組地層，從底部的紅色區域看，地面樁號64m-128m區段地層穩定，且連續，電阻率值均勻變化，而到了樁號128m附近，電性曲線發生扭曲，部分曲線出現向下的漏斗狀，說明該部位亦是構造變化點，故推斷為斷層點，斷層產狀西北，在往右剖面的底部出現黃綠色小的低阻體，分析判斷為巷道反映（圖4.1）。

5.2斷層展布

從本區高密度反演后的視電阻率擬斷面圖可以清晰看出，本區導水通道正是由斷層透水所引起。將各條剖面線上斷層位置投影到平面圖可以展布出本區斷層（F）的延展方向，斷層走向大致為近東—西向。

6.實際驗證效果

在施工完本區高密度勘探后，礦方按照勘探報告中所給孔位進行施工，共完成鉆孔4個，孔深65m，開孔直徑0.273m，終孔直徑0.219m，4個鉆孔全部打在斷層上盤，有裂隙水流出，水量中等，后期經灌漿封堵，突水問題得到控制。

7.結論與建議

7.1結論

1）所選擇高密度電阻率法在這次對采掘空區內突水點勘探中，取得令人滿意的探測效果。視電阻率斷面圖更形象、更直觀地反映本區的電性分布及結構特征，準確探查出突水點的位置。

2）通過對資料的解釋與分析確定了本區導水通道的形成正是由斷裂導水所引起。

7.2建議

根據高密度所獲得的反演成果結合后期鉆孔數據，建議對已完成的4個探水孔進行帷幕灌漿施工，對斷層裂隙進行堵封，并將未完成的5#探水孔繼續進行鉆探，與之前4個鉆孔相連通，對突水點徹底進行封堵。

參考文獻

[1] 董浩斌，王傳雷.2013.高密度電法的發展和應用[J].地學前緣，10 （1） ： 171-176.

[2] 呂玉增，阮百堯.高密度電法工作中的幾個問題研究[J].工程地球物理學報，2005，2（4） ：264-269.

[3] 工宇璽.高密度電阻率法的主要裝置特點與應用[D].成都：成都理工大學，2010.