高密度電阻率法在地質災害勘查中的應用

徐林 楊生文 樂俊波 戴曉明 潘遠

摘要：廢棄老礦井由于采掘資料缺失，采空區范圍不明，給當地的地質災害成因分析帶來一定的困難，高密度電阻率法在探測采空區有明顯的效果，能夠較好的固定采空區范圍。本文采用高密度電阻率法采空區模型進行反演計算成像分析，實測并圈定廢棄老窯采空區范圍，并圈定了采空區地表移動與變形范圍和抽排地下水影響范圍，分析了山上地面開裂和塌陷成因、村民房屋開裂成因，表明了高密度電阻率法在地質災害勘查中具有良好效果。

關鍵詞：高密度電阻率法;反演;采空區;地質災害勘查

煤礦一般多層開采，采空區呈上下疊加，給探測采空區帶來一定困難。采空區造成地表移動和變形，給當地人民的生命財產帶來安全隱患。高密度電阻率法以地下巖土體的電阻率差異特征為為研究前提條件，是研究在人工建立的穩定地電場中地下介質電流分布規律的一種主動源電法勘探方法，能根據采空區的充填與圍巖電性差異探測出采空區的發育范圍，為地質災害的成因分析提供必要的根據。

1.礦區地質災害現狀調查

LH煤礦由th煤礦和sba煤礦整合而成，含煤地層二疊系上統龍潭組，準采標高為1575m-1160m。th煤礦1995年建井，2009年關閉，無法下井實測，開采M28和M31號煤層。sba煤礦1995年建井，2007年關閉，現無法下井實測，開采M26、M28、M31號煤層。LH煤礦于2016年關閉，現無法下井實測，LH煤礦負責人拒絕提供所需地災評估所需的采面布置，采掘煤層，每循環消耗的最大炸藥量，排水量、涌水量等地質災害成因分析論證的必要資料。

礦區地質災害有地裂縫2條和地表塌陷1處。2條地裂縫為2015年8月形成，為連續土層裂縫，地裂縫（DLl）位于2號房屋南西側約185m處，呈直線型，走向90。，裂寬約lcm-80cm，長約8.Om，可見深度0.lOm-0.50m，向200。方位下沉約20cm;地裂縫（DL2）位于DLI地裂縫的南側，裂縫呈弧線型，裂縫走向105。方位，現未見裂縫寬度，長約25m，向215。方位下沉約45cm。地面塌陷（TXl）：位于3號房屋的西側50m，該塌陷直徑約8.Om，深約1.2m，呈橢圓形，為第四系松散層塌陷，塌陷形成時間2011年，現已基本穩定。區內有80戶民房受損，部分民房及院壩開裂下沉，裂隙寬度Imm-35mm，裂隙長度Om-6m，初次開裂時間從2006年-2016年不等。

根據該項目實際情況，決定采用高密度電阻率法探測LH煤礦的采空區范圍。

2.高密度電阻率法理論模型實驗分析

根據LH煤礦多層煤采掘的歷史，用Res2dmod軟件設計個大小一致的兩組采空區模型組合，設測線長度lOOOm，電極極距lOm，采用溫納裝置測量（見圖1）。I號模型組合由水平板狀高阻體和低阻體疊加組成，在測線上點號為240m-360m，上部高阻體中心埋深45m，長120m，厚lOm，下部低阻異常體中心埋深85m，長120m，厚lOm。Ⅱ號模型組合在測線上點號為640m-760m，上部低阻體中心埋深45m，長120m，厚lOm，下部高阻異常體中心埋深85m，長80m，厚lOm。高阻體電阻率值5000Ω·m，模擬未充填或半充填采空區;低阻體電阻率值200Ω·m，模擬充水或泥采空區;圍巖電阻率值2000Ω·m，模擬煤系地層。根據Res2dmod進行有限差分正演，導出正演數據，在Res2dinv進行反演。

圖2中可以清楚的看到四個板狀異常體橫向上與理論模型范圍基本一致;縱向上淺部高阻體與理論模型相似，低阻體范圍偏大，深部低阻體縱向上整體下延大于理論模型范圍，深部高阻體縱向范圍偏大;四個異常體電阻率值與理論電阻率值有偏差。可見高密度電阻率法在橫向上能比較清晰的反映采空區范圍的大小，在縱向上分辨率稍差，深部分辨率小于淺部，但通過高密度電阻率法探測多層煤采空區是可行的。

3.資料處理分析

3.1工區地質概況

礦區及鄰近區域出露地層有：二疊系上統峨眉山玄武巖組（P3β）玄武巖，厚度大于115m;二疊系上統龍潭組（P31）粉砂巖、菱鐵質粉砂巖夾粘土巖、煤質頁巖及煤層，厚度約135m;二疊系上統長興組（P3C）灰巖，厚度大于40m;三疊系下統飛仙關組（T1f）粉砂巖，厚度大于200m;第四系（Q）殘坡積層，厚O-1Om。

礦區內總體構造簡單，未發現明顯斷層，為向南西傾斜的單斜構造，地層總體傾向南西，傾角10°-17°。

3.2高密度電阻率法1號剖面分析

如圖3，1號測線布置在測區南部，40m-lOOm點號為已知LH煤礦M6號巷道附近，250m-350m在已知LH煤礦M8號煤采空區附近，480m-540m為已知sba煤礦M28號煤采空區，570m-620m為已知sba煤礦M31號煤采空區附近。

如圖4，該剖面淺部電性分布不均勻，第四系電阻率值小于100Ω.m，部分松散且干燥區域電阻率值大于400Ω.m。深部電性分布不均勻，主要由采掘煤層形成的采空區及裂隙引起，在煤層附近共圈定了9個團塊狀采空區異常，I號采空區橫向寬于收集資料采空區，縱向發育范圍包含了M8號煤;Ⅱ號采空區推斷為采掘M26、M28號煤引起，無已知資料;Ⅲ、Ⅳ號采空區為已知LH煤礦采空區附近;V號采空區在M6露頭附近，調查為老窯采掘引起;Ⅵ號采空區推斷為采掘M26、M28引起，無已知資料;Ⅶ采空區推斷為采掘M26號煤引起，無已知資料;Ⅷ號采空區為采掘M28號煤引起，發育在已知sba煤礦M28號煤采空區附近;Ⅸ號采空區為采掘M31號煤引起，發育在已知sba煤礦M31號煤采空區附近。

通過物探實測資料與收集到采空區范圍資料進行對比，在收集到資料的采空區范圍，物探測量結果基本與之吻合，由此判定物探測量結果可靠性好。但物探物探實測采空區范圍比收集到資料的范圍大，采空區個數更多，其原因為礦山開采歷史悠久，資料遺失，收集到采空區資料不全面。

通過物探實測資料與模型試驗資料對比，由于受地表不均一性影響較大，實測地表資料電性更為復雜;實測異常空間形態呈團塊狀而非板狀體，其與受采空區的垮塌引起圍巖發育裂隙有關;因煤層起伏實測部分采空區異常中心位置所畫煤層位置處。

3.3 D-D 剖面地質災害范圍圈定

（1）采空區范圍圈定

由于礦方不配合，資料未能收集齊全。采空區范圍的確定以政府和納雍縣國土局收集而來的資料和物探電法勘探成果資料綜合確定。①收集到的采空區范圍為已知采空區范圍;②已知采空區范圍外，采用物探探測的采空區。同一煤層物探采空區與收集到采空區重疊或相鄰，則將相鄰采空區合并為同一采空區。

（2）采空區地表移動與變形參數選擇

根據收集資料，該區覆巖為中硬類型，煤層傾角10°～17°，平均傾角為14°。參照“壓煤開采規程”附表5-3和5-4，選取松散層移動角φ=45°，走向邊界角δ0=55°，上山邊界角γ0=55°，下山邊界角為β0=δ0-0.65α=55°-0.65×14°=46°;開采第一層煤為初次采動外，第二層煤為重復采動：邊界角減小2°-7°，區內取5°。則走向邊界角δ0=50°，上山邊界角γ0=50°，下山邊界角β0=41°。

（3）安全深度確認

根據公式：H8=M.K

其中：H8-煤層綜合作用厚度計算的頂板安全厚度（m）;M-煤層平均厚度（m）（m1=1.80m、m2= 1.50m、m3=1.50m、m4=1.60m）。

煤層間距：n2=2l.Om、n3=19.Om，n4=45.Om;

經計算得M6、M8、M28、M31煤層綜合采動頂板安全深度為708.Om。

通過對開采煤層的安全深度的計算，LH煤礦開采M6、M8、M28、M31煤層，開采標高為1320m，綜合采動頂板安全深度為492.Om，礦區村民民房平均地表標高為1580.OOm，垂高為260.OOm，小于煤層的安全深度。

（4）排地下水降落漏斗影響半徑

礦區內地下水總體向東側流向陽長河徑流。受采礦、構造裂隙影響，自然狀態受到不同程度破壞，地下水在可溶巖和非可溶巖分布區發生水力聯系。據調查和收集資料LH煤礦距民房最近的M6煤層最低開采標高為1433.2m，靜水位標高以1550m為準，地下水降升高度S=116.8m，含水層厚度H=315.OOm，滲透系數采用K=O.OOlm/d，經計算LH煤礦抽排地下水降落漏斗影響半徑R-13l.llm。

根據上述原則，在D-D'剖面上圈定了煤礦采掘范圍，煤礦采掘地表移動影響范圍，輸排水地下水降落漏斗影響范圍，如圖5。

4.地質災害成因綜合分析

4.1 山上地面開裂和塌陷成因分析調查區內主要的地質災害為地裂縫和地面塌陷，地裂縫及塌陷均在采空區地表影響范圍和抽排地下水影響范圍之內。

地裂縫DLl-DL2位于LH煤礦礦界內的南側二疊系上統龍潭組地層之上，由于LH煤礦的開采，損壞了巖層的完整性和穩定性造成地面開裂從而使地裂縫DLl-DL2向下坡方向滑移。

地面塌陷位于LH煤礦礦界內的中部，地層為二疊系上統龍潭組之上，由于淺部煤層開采形成采空區，煤層頂板失穩下陷，引起表層松散層形成塌陷坑。

4.2村民房屋開裂成因分析

80戶受損民房在LH煤礦采空區地表影響范圍和抽排地下水影響范圍內。地形坡度10°-30°，民房向下為10°～45°地形坡度，民房基礎多置于土層之中，并且基礎砌置不當、結構較差。民房變形主要以下沉和擠壓性開裂為主，裂縫開裂方向基本與LH煤礦開采的巷道平行。房屋開裂時間是在2007年至今，而LH煤礦開采時間是2004年-2014年。

綜上，由于受LH煤礦的開采，導致松散層向下坡方向蠕動，是造成區內民房開裂受損的誘因。

5.結論

通過對高密度電阻率法在重疊采空區中的正演模擬和在地災成因探測采空區中的應用，得到了以下幾點結論和認識：

（1）高密度電阻率法在橫向上能比較清晰的反映采空區范圍的大小，在縱向上分辨率稍差，深部分辨率小于淺部，但通過高密度電阻率法探測多層煤采空區是可行的。

（2）由于受地表不均一性影響較大，高密度電阻率法實測地表資料電性更為復雜，實測采空區異常空間形態呈團塊狀而非板狀體，其與受采空區的垮塌引起圍巖發育裂隙有關。

（3）在地質災害成因分析論證中，采空區范圍往往是劃定地災范圍的依據，在收集資料不全或有疑問的情況下，高密度電阻率法圈定的采空區范圍是可作為必要的參考依據。

參考文獻：

[1]江玉樂，雷宛.地球物理數據處理教程[M].地質出版社，2006.

[2]劉國興.電法勘探原理與方法[M].地質出版社，2005.

[3]張榮立.采礦工程設計手冊[M].煤炭工業出版社，2003.

[4]田旭民，田方.地方煤礦實用手冊[M].地質出版社，1989.

[5]中華人民共和國煤炭工業部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].煤炭工業出版社，1986.

[6]曹運江，廖坤炎，馮少真，等.貴州誼源煤礦礦山環境影響耦合分[J].煤田地質與勘探，2011，39（3）：33-36.

[7]宋元坤，劉松，宋書倫.貴州省晴隆縣某煤礦開采點地質災害誘因分析[J]西部探礦工程，2016，28（ 2）：141-143.