高密度電法在工程勘察中的應用

盛小龍

摘要：對高密度電法的基本原理及特點進行了分析，并結合山西某煤礦的環境整治工程，論述了高密度電法的一般工作過程及注意要點，包括其測線布置、電極排列、測量裝置選擇，以及數據處理與輸出等等。并總結了高密度電法在工程勘探中的優點和劣勢。

關鍵詞：高密度電法;工程勘探;煤礦環境整治

Application of High Density Electrical Method in Engineering Investigation

SHENG Xiao-long

（Jiangxi Survey and Design Institute，No.169 Ziyang Avenue，Changdong University Campus，High-tech Development Zone，Nanchang City，Jiangxi Province;330200）

Abstract：The basic principle and characteristics of high-density electric method are analyzed. Combined with the environmental remediation project of a coal mine in Shanxi，the general working process and points of attention of high-density electric method are discussed，including its line layout，electrode arrangement and measuring device selection.，as well as data processing and output，and more. And summarize the advantages and disadvantages of high-density electrical method in engineering exploration.

Key words：high-density electrical method;engineering exploration;coal mine environmental remediation

引言

我國目前的能源結構還是以煤炭為主，存在著許多煤礦采礦區，由于對于煤礦這類自然資源的開采。往往會破壞當地的地形地貌，破環地質結構，形成新的地質問題。開采沉陷引發的地面塌陷、地裂縫等問題突出，是造成區內地質環境惡化的最主要因素。在這些煤礦開采地區進行地質調查時進行地質環境整治和災害預防工作的前提。綜合物探技術是獲得現場地質資料的重要技術手段。

工程中物探的方法有很多中，根據其運用的物理場分類主要有：彈性波探測法及電（磁）法探測法等等。并且以這兩種方法為基礎，還發展出許多相關的探測方法和手段^[1]。

目前，在煤礦采空區進行物探勘察的方法主要為鉆探和物探結合的方法。常用的物探方法有：地質雷達法、瞬變電磁法、淺層二維（三維）地震法、高密度電法、大地電磁法和測氡法等等。各種探測方法各有其適用條件及特點，在實際運用中也能得到相應的地質資料。下面將結合具體工程實例介紹鉆探及高密度電法的物探方法^[2]。

1 ?工程概況

根據勘察報告及現場調研結果，礦井水處理站場地存在煤礦采空區，采空厚度約4.3m，煤層頂板距地面20m左右，采深采厚比為3.37，小于30在綜合處理間及中間水池附近已發現數條裂縫，明顯可見的裂縫有2條，大體為南北方向，裂縫長度約為4m，寬7～15cm左右。因此，需對采空區進行治理。

礦井水處理站北側存在一處崩塌危巖體，近東西走向，巖層高陡直立。崩塌危巖體橫寬約150m、縱高約20～40m、厚度約5～15m、體積約1.2×104m3，崩塌方向31°，屬中型巖質崩塌。

礦區筒倉南側及北側邊坡堆積大面積坡體松散物并裸露于地表，遇到暴雨或者連陰雨，坡面溝壑縱橫交錯，殘坡積土順坡面流入廠區。因此，需對筒倉南北側邊坡進行治理。

2 ?高密度電法

2.1 ?工作原理

高密度電法實際上是一種電阻率法，它通過儀器觀測圍巖及礦物之間的電阻率差異，并且通過相關軟件分析和研究這些電阻率差異在空間上的變化規律及分布特點，從而找出地下存在的不均勻電性體（如滑坡體、風化層、巖溶等）并且得出工程的地質構造情況^[3]。

高密度電法是在電測剖面法和垂向直流電測深法的基礎上研制出的。高密度電法在同一條多芯電纜上具有多個連結的電極，通過測量系統中的軟件，能夠自動組成多個不同深度或多個垂向測深電的探測剖面。在選定探測裝置類型之后，系統就能按照探測剖面的深度順序或者測深電的位置順序，進行逐點或逐層探測^[4]。在采集到測點數據后，先利用數據轉換和地形矯正等預處理手段后繪制等值斷面圖，再通過二維反演并結合工區的地質資料對地質構造情況進行綜合推斷。

2.2 ?高密度電法的特點及優勢

與高密度電法相比，常規的電剖面法和電測深法，鋪設導線后只對一個記錄點進行數據觀測。如果在工程實踐中遇到目標規模較小而且埋深較淺的情況，常規電法顯得效率低下^[5]。

高密度電法與常規電法相比它提高了數據的采集密度，提高了自動化程度，從而提高工作效率。高密度電法通過程控電極轉換裝置和微機工程電測儀，來實現對數據的自動化采集和處理。先進電子技術的采用，提高了電法勘探的智能化程度，它具有以下優勢：

（1）通過內部電極程控程序，實行不同電極排列方式的掃描測量，只要完成一次導線布置，就能獲得大量的地質斷面構造信息。

（2）數據采集實現自動化或半自動化，減少人工操作帶來的錯誤，提高工作效率。

（3）將數據進行處理后能夠顯示剖面曲線形態，并能夠繪制斷面剖面圖，更加直觀，便于進行綜合推斷。

3 ?高密度電法的實際應用

3.1 ?測線布置

根據相關的勘察報告及現場調研結果，將測線大致沿礦區道路垂直布置，盡量覆蓋所需勘察范圍，重點針對礦區的煤礦采空區及北側的危巖崩塌體，從而獲得該環境整治區域的地質信息，為工程勘察及施工整治提供依據。具體測線布置如下圖2所示：

3.2 ?電極排列方式

高密度電法最初的電極排列方式只有α，β，γ三種，而發展到現在，已有十幾種排列方式，基本都是由對稱四級（施倫貝格，Schlumberger）、偶極（dipole-dipole）、三極（pole-dipole）、二極（pole-pole）的排列方式衍變而來（其中γ排列方式無變種）。例如：

當AM = MN = NB 時，Schiumberger 排列就變成α排列;當AB = BM = MN 時，偶極排列就變成β排列;對于三極排列，就有 AMN，MNB，AM = MN 和AM≠MN 等四種^[6]。

3.3 ?探測裝置選擇

在實際的勘測過程中，我們還要考慮到地下地質體的垂向和橫向變化，以及所需的探測深度、信號可靠性等問題，并以此來選擇探測探測裝置。根據以往工程的數據對比和經驗，溫納裝置是常用的一種測量裝置，它對垂向變化比水平方向變化所反映的靈敏度要高，抗干擾能力強且耗時較少，該裝置在探測垂向變化的地質問題（如水平層狀結構）上比較有利，而對水平變化的地質問題（如狹窄垂向結構）探測相對較差。因此，我們綜合采用溫納—施倫貝格的裝置進行測量，它對地質體的垂向及橫向均有相當的靈敏度，而且數據覆蓋程度好^[4]。

3.4 ?數據處理與反演

在用高密度電法進行勘測的過程中，鋪設電極的的接地電阻以及地質噪音等因素會對測量結果造成干擾。為此，要先將原始數據進行數據預處理。其中，數據圓滑、濾波處理和地形矯正是數據預處理常用的方法，但是一般只對溫納四極排列（α和施倫貝格排列）進行處理，因為偶極排列異常和地質電性體之間有較為復雜的對應關系。數據圓滑一般采用剔除干擾點及圓滑平均等等。

數據的處理一般用RES2DINV高密度電法處理軟件進行，還能完成自動成圖的工作^[7]。數據處理的流程如下圖所示：

高密度電法的數據反演主要有計算機自動二維和三維反演，其中二維反演程序是基于圓滑約束最小二乘法的計算機反演計算程序，使用了基于準牛頓最優化非線性最小二乘新算法，使得大數據量下的計算

速度較常規最小二乘法快10倍以上。

該算法的優點在于能夠使阻尼系數和平面過濾器隨著數據類型的不同而調整，反演程序通過使用該二維模型，把所測量的地下空間體分為許多模型子塊，然后確定這些子塊的電阻率，使得正演計算出的視電阻率擬斷面與實測擬斷面相吻合^[6]。

4 ?結果輸出與圖示分析

數據經過處理及反演后，需要進行電阻率的圖像顯示輸出，便于進行人工分析，綜合推斷地質構造信息。高密度電阻率剖面一般采用擬斷面等值線圖、彩色圖或灰度圖表示，它表征了地電斷面每一測點視電阻率的相對變化，因此在反映地電結構特征方面具有更直觀和更形象的特點。數據輸出結果如下圖所示：

據電法反演成果可見：測線1在平面65m，深度14～16m處存在高阻封閉異常區，疑似無充填空洞;測線2在平面68m，深度約19m處發現高阻異常區;考慮到現場探測條件較差，電極間距及定位精度對探測剖面深度會有一定影響，故剖面中的深度僅供參考。

5 ?結論

高密度電法對地下地電結構具有高分辨率，是研究淺層地質結構行之有效的方法。隨著深部找礦等深部勘探工作的巨大需求，大功率、大探測深度、多參數測量和一機多能是高密度電法儀器今后發展的主要方向。在山區采用高密度電法對采空區進行探測時，應當避免地形變化較大的區域，盡量選擇在地形平坦處布置測線;若必須在地形起伏的地段進行高密度電法測試時，建議在滿足探測精度的條件下，選用較大的電極距^[8]。

高密度電法是淺層采空區探測的有效探測方法，已被廣泛運用。但其仍舊存在一些局限，例如表層低阻異常的屏蔽作用、難以準確判定異常的規模和形態等。在探測條件復雜的區域，建議采用多種物探的方式進行綜合探測和解釋，提高探測的準確性。

參考文獻

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（作者單位：江西省勘察設計研究院）