高密度電法在探測(cè)煤礦塌陷區(qū)中的應(yīng)用研究

韓 侃，王偉星，朱兆榮 ，陳賢豐

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 概述

目前采空區(qū)探測(cè)方法主要有兩種：鉆探揭露法和地球物理勘探法。鉆探揭露法屬于單點(diǎn)探測(cè)，探測(cè)范圍僅限于鉆孔直徑大小的地質(zhì)情況。大面積勘察宜選用地球物理勘探法和鉆探揭露法的綜合探勘方法進(jìn)行探測(cè)[1]。

地球物理勘探法在采空區(qū)的探測(cè)上主要包括地震法、直流電法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法和瞬變電磁法。高密度電法測(cè)量信息豐富、工作效率高、探測(cè)深度適中的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于中、淺層工程勘探中，尤其廣泛應(yīng)用于礦山塌陷區(qū)[2]。據(jù)此，文章以蘭州市紅古區(qū)窯街煤礦和平?jīng)鍪袞|峽煤礦的塌陷區(qū)為例，分析了高密度電法勘探在探測(cè)煤礦塌陷區(qū)中應(yīng)用效果。

2 高密度電法工作原理及技術(shù)方法

高密度電法屬于電阻率法，是以巖、土、空氣、水等介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，人工對(duì)研究區(qū)施加穩(wěn)定的電流場(chǎng)，從而研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種物探方法。高密度電阻率法理論與常規(guī)電法相同，但所用方法技術(shù)不同[3]。高密度電阻率法實(shí)際上是常規(guī)電阻率法的改進(jìn)，在測(cè)線各個(gè)測(cè)點(diǎn)上插上電極，每根電極是可以作為供電電極又可以作為測(cè)量電極，同時(shí)通過(guò)控制開關(guān)選擇使用不同的電極組合，可以實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集方便快速。將測(cè)量結(jié)果傳入微機(jī)后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，添加高程文件，然后反演就可以得到有關(guān)研究區(qū)電阻率剖面圖，高密度電法工作原理示意如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理示意圖

高密度電阻率法通常采用反演的參數(shù)視電阻率來(lái)計(jì)算：

式中：

ρs——視電阻率(Ohm-m)；

△V——觀測(cè)電位差；

I——供電電流；

K——裝置系數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中，AM、AN、BM、BN為電極間距離。

高密度電阻率法應(yīng)根據(jù)不同的勘探對(duì)象和地質(zhì)條件，選擇不同的裝置組合形式，其中常見的電極裝置有溫納四極、施侖貝格、偶極、微分和聯(lián)合三極等[4]。

聯(lián)合三極裝置探測(cè)深度最大，但由于裝置的不對(duì)稱性，剖面異常形態(tài)可能發(fā)生畸變；施侖貝格裝置橫向分辨率和探測(cè)深度適中[5]。實(shí)際施工中，可根據(jù)需要選擇不同裝置進(jìn)行測(cè)量，處理時(shí)采用聯(lián)合反演，提高數(shù)據(jù)解譯精度。

3 數(shù)據(jù)處理與反演

由于導(dǎo)致塌陷的煤礦采空區(qū)范圍較小，要求數(shù)據(jù)精度較高，勘察區(qū)山巒起伏，梁峁重疊，溝壑縱橫，巖土松散，地形復(fù)雜。根據(jù)實(shí)地情況及以往工作經(jīng)驗(yàn)，分析影響數(shù)據(jù)采集精度的主要因素為：地形地貌和接地電阻的影響。

3.1 地形地貌

由于黃土塌陷區(qū)多呈大于30℃傾斜陡坡地形，地形切割嚴(yán)重。地形對(duì)探測(cè)的主要影響集中為：

1）電極位置的準(zhǔn)確性；

2）集流效應(yīng)導(dǎo)致的假異常。

此次采集時(shí)首先由測(cè)量人員逐點(diǎn)布設(shè)，保證電極位置的準(zhǔn)確性。消除集流效應(yīng)導(dǎo)致的假異常方法較多，目前效果較好的為二維反演進(jìn)行地形校正[6]。本文處理軟件采用儀器配套軟件RA-2D，先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)檢查，剔除較明顯的視電阻率跳點(diǎn)，并檢查地下供電電壓和供電電流分布圖。數(shù)據(jù)處理完畢，利用最小二乘條件約束的反演算法進(jìn)行反演[7]。迭代一定次數(shù)后，當(dāng)觀測(cè)視電阻率結(jié)果與計(jì)算視電阻率結(jié)果滿足最小平方收斂時(shí)，則輸出反演結(jié)果。二維高密度電法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程

3.2 接地電阻

電極接地電阻的大小對(duì)于高密度探測(cè)數(shù)據(jù)可靠性影響較大，接地電阻較大，極易產(chǎn)生局部假異常。

針對(duì)蘭州紅古地區(qū)地表干燥的條件，在每個(gè)電極接地處澆水，保持電極接地良好。此外，對(duì)儀器進(jìn)行有效絕緣，防止儀器漏電對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和精度的影響。

以上各種措施聯(lián)合進(jìn)行，可以較好地保證此次測(cè)量數(shù)據(jù)及資料解譯的準(zhǔn)確性。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

4.1 紅古區(qū)窯街煤礦塌陷區(qū)

本次數(shù)據(jù)采集在紅古區(qū)窯街煤礦塌陷區(qū)，該地區(qū)地形呈狹長(zhǎng)的“山”字型，北面依山，山巒起伏，梁峁重疊，溝壑縱橫，巖土松散，地形復(fù)雜，紅古區(qū)是滑坡、災(zāi)害較為發(fā)育的地區(qū)之一[5]。區(qū)內(nèi)出露巖性主要為砂巖、泥巖，其電阻率較低，僅為 n×10(Ωm)，地裂縫、采空區(qū)等電阻率值為 100～1000(Ωm)，此為此次地球物理勘察的前提。本次數(shù)據(jù)采集所采用工作模式是二維剖面法，電極距為10m，排列采用溫納裝置測(cè)量，測(cè)線總長(zhǎng)度為800m。

高密度電法反演推斷解釋如圖3所示，具體推斷解釋如下：在圖中0m至320m之間出現(xiàn)中高阻部分（色標(biāo)為橘紅色區(qū)域）為黃黏土層反映，電阻率值為70～100Ω之間。圖中480～800m之間淺表層至十幾米埋深，呈條帶狀區(qū)域高電阻率區(qū)域，電阻率值100Ω以上推斷解釋為地表層裂縫、塌陷區(qū)反映，與工區(qū)去現(xiàn)場(chǎng)情況相符。在圖中左側(cè)160～320m之間出現(xiàn)中高阻部分（色標(biāo)為淺綠至深綠色區(qū)域）為膠結(jié)松散的礫石層反映，電阻率值為20～50Ω之間。圖中深藍(lán)色之淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)槟鄮r、砂泥巖地層反映，電阻率值較低，一般為10Ω左右，圖中右下側(cè)高阻區(qū)域推斷解釋為砂巖、砂礫巖地層反映。

區(qū)內(nèi)窯街煤礦是歷史采礦和計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期建立的老礦業(yè)基地[8]，原來(lái)的亂采亂挖、無(wú)序開采及后來(lái)的大規(guī)模開采，使礦區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，引發(fā)了一系列嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，本次調(diào)查工作的重點(diǎn)是窯街煤電有限責(zé)任公司塌陷區(qū)，確定了多處地面塌陷災(zāi)害。地面塌陷規(guī)模較大的有3處，規(guī)模較小的有4處，穩(wěn)定性較差的有5處。調(diào)查時(shí)礦區(qū)由于采礦等原因陷坑和裂縫仍在不斷發(fā)展，變形開裂現(xiàn)象仍在持續(xù)。

圖3 高密度電法反演圖

4.2 東峽煤礦塌陷區(qū)

東峽煤礦位于六盤山山脈關(guān)山東麓陜甘寧盆地之西南緣，屬六盤山石質(zhì)山帶與陜甘寧黃土高原的過(guò)渡帶，東峽煤礦地區(qū)地表潮濕、雜草叢生、地表地形起伏較大的條件，在接地條件不好的情況下，采用在每個(gè)電極接地處在原狀土上，保持電極接地良好。另外，對(duì)儀器實(shí)行有效的絕緣措施，以防儀器漏電影響測(cè)量精度。通過(guò)以上的各種措施，較好地保證了此次勘查的數(shù)據(jù)精度。

本次測(cè)量所采用的工作模式是二維剖面法，東峽煤礦塌陷區(qū)地形高程變化復(fù)雜，高密度電法各種裝置中只有溫納裝置受地形影響較小，故采用溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電極距為10m，1號(hào)測(cè)線長(zhǎng)度為800m，2號(hào)測(cè)線長(zhǎng)度為1280m，測(cè)線總長(zhǎng)度為2080m。

高密度電法反演推斷解釋如圖4、圖5所示。測(cè)線1、2均自西向東布置，具體推斷解釋如下：

圖4 測(cè)線1高密度電法反演圖

圖5 測(cè)線2高密度電法反演圖

在圖4中（測(cè)線 1）左側(cè) 0～640m之間：淺表層由地表至十?dāng)?shù)米深度出現(xiàn)條帶狀高阻部分為地表分布塌陷、裂縫反映，200m處、510m處出現(xiàn)的高電阻率團(tuán)為底部膠結(jié)松散的砂礫層反映，圖中深藍(lán)色至淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈谌的鄮r、砂泥巖地層反映，電阻率值較低，一般為10Ω左右。

圖5中（測(cè)線2）可看出深藍(lán)色至淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)槟鄮r、砂泥巖地層反映，電阻率值為10Ω左右。640～960m之間淺綠色至深綠色區(qū)域?qū)訛槟z結(jié)密實(shí)砂礫層、砂石巖反映，電阻率值為30～80Ω，在1040～1280m之間橘紅色區(qū)域?qū)痈唠娮杪手担娮杪手荡笥?00Ω，推斷解釋為底部砂巖反映，地表有出露。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在黃土塌陷區(qū)進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集會(huì)受到高傾角地形的影響，測(cè)線只能沿斜坡階梯式鋪設(shè)，地形高差會(huì)導(dǎo)致電流場(chǎng)分布不均，對(duì)淺部信號(hào)影響較大，因而必須詳細(xì)記錄地形高程變化，實(shí)施精確地形校正技術(shù)，盡量減少地形影響。

2）通過(guò)對(duì)兩處塌陷區(qū)高密度電法資料和地質(zhì)資料的綜合分析，并結(jié)合測(cè)區(qū)內(nèi)已有的采煤探井取芯結(jié)果，基本查明了探測(cè)區(qū)內(nèi)的塌陷范圍、地層結(jié)構(gòu)和裂縫發(fā)育情況。

3）通過(guò)在黃土地區(qū)進(jìn)行高密度探測(cè)，分析了黃土塌陷區(qū)介質(zhì)電阻率分布特征，通過(guò)數(shù)據(jù)處理解譯，得出了測(cè)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)和基巖埋深數(shù)據(jù)。這為以后的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作提供了新的技術(shù)手段和工作思路。