高密度電阻率法在陡傾煤層采空區中的勘查應用

王浩臣 楊鏡明

（核工業二一六大隊）

地下煤礦體采出后所留下的深部空間區域被稱為煤田采空區，當煤礦從地下被開采出來，上覆蓋巖層失去支撐而導致平衡狀態被破壞，為達到新的平衡，內部應力會重新分布。煤田采空區及其影響區內巖層的完整性被破壞，從而導致其電阻率、密度、彈性的物性特征等發生了改變。采煤所引起的山體滑坡、地面塌陷、地面不均勻沉降、地下水疏干等地質災害已經對水利與電力工程設施、公路建設、生態與人民的生活帶來了直接性的危害［1-3］。近年來，依據新疆經濟發展的要求，城市基礎建設已向周邊擴展到八道灣、白鳥湖新區等煤田采空區區域，針對采空區勘查的工作越來越重要，不同采空區所采用的方法及技術也有所不同，因此，解決烏魯木齊地區煤炭采空區的勘查具有重要的意義。

新疆烏魯木齊地區煤層多呈陡傾煤層，其下部采空區易垮塌，自身穩定性差，難以在地表形成“拱”，采空區大多具有空洞內填充物堆積，且填充狀況復雜，多有空洞分布且無規律，自然垮塌、變形時間長，難以穩定的特點。近年來，高密度電阻率法成為高信息量的工程勘察方法，其顯著特點是施工快捷、數據量大、分辨率高、可靠性好、圖像直觀，已成功運用于各類采空區勘查等，同時該方法對地形條件要求較高［4-7］。

1 高密度電阻率法勘探原理

高密度電阻率法是結合水文地質、工程地質及環境地質調查的實際應用而研發的一種常規電阻率測量方法，該方法以巖、礦石之間電阻率差異為基礎，通過分析電阻率數據的分布特點和變化規律，來查明和尋找地下電性不均勻體。高密度電阻率法可以在野外采集大量數據，且數據質量較好，觀測精度高。

本次高密度剖面勘測采用溫納α裝置，該測量裝置的電極排列特點是A-M-N-B，其中A極和B極為高密度電阻率法供電端電極，測量端電極為M極和N極。觀測過程中，AM、MN、NB為相等的電極間距，A、M、N、B極同時沿剖面均勻移動，得到第一層剖面；接著電極間距都增大1 個等級，4 個電極再次沿剖面均勻移動，向深部得到第二層剖面；按上述步驟操作，不斷測量下去，得到一個倒梯形高密度剖面；數據圖形的排列方式也為倒梯形（圖1）。

2 采空區勘探實例

2.1 地質概況

勘測采空區所在區域位于大地構造上，區域南部山區為天山褶皺帶，區域中部平原為山前凹陷帶，區域北部沙漠區為準噶爾地塊，其間以深大斷裂為邊界。采空區在區域上位于北天山褶皺帶北緣，準噶爾坳陷區南部之次一級構造烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。

根據烏魯木齊山前坳陷八道灣地區構造綱要圖（圖2），場地處于八道灣向斜的南翼，勘查區范圍涉及八道灣向斜、七道灣背斜褶皺以及碗窯溝斷層等構造。

區域內七道灣背斜主要分布在七道灣至水磨溝河以東，呈一弓背向北的弧形，軸面傾向南，背斜向東翹起，向西傾伏。八道灣向斜位于七道灣背斜南，2 軸相距1.5 km 左右，構造軸線方向與七道灣背斜基本平行。八道灣向斜西寬東窄，軸面南傾，向斜由西向東緩緩翹起。向斜兩翼地層傾角不等，分布地層為頭屯河組與西山窯組。

第四系（Q）分布廣泛，遍布井田，厚薄不一，直接覆蓋在侏羅系地層之上。除八道灣河兩側有基巖出露外，幾乎全被覆蓋。覆蓋層上部大部分為黃土，黃土下為礫石層，礫石層最大厚度達60 m。礫石層按成因又分為冰磧層、坡積層、沖積層等。

頭屯河組（J2t）分布于礦區北部，B33 號煤層之上，為河湖相沉積。巖性以灰綠、紫紅、深灰色泥巖，細砂巖為主；次為中粒砂巖和砂質泥巖，間夾砂巖、炭質泥巖和1～3 層薄煤；雜色條帶明顯；全組總厚630～700 m，與下伏地層呈整合接觸。

西山窯組（J2x）為井田主要含煤地層，呈北東—南西向帶狀展布在井田中部，傾向北西，為湖相、泥炭沼澤相沉積。巖性由灰白、灰、深灰色中粒砂巖、細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖等組成。

三工河組（Jls）呈北東—南西向分布于礦區的南部，為一套河湖相沉積。巖性以灰綠色細砂巖與中、粗砂巖互層為主。細砂巖多呈薄層狀，礦物成分復雜，富含白云母碎片；中、粗粒砂巖呈厚層狀。礦物成份以長石、石英為主，有少量白云母。粒度分選差，斜交層理較發育。底部以一層灰綠色致密堅硬的中粒砂巖與下伏地層整合接觸。地層總厚度為235～410 m。

結合地質概況，本次勘測在初步查明該區域采空區空間分布特征的基礎上，查明場地與北側采空區邊界分布關系?？睖y區周邊交通便利，八道灣路位于勘查北側，位于東二環西側?？辈閰^西南側為一駕校，區內有部分未拆遷完成的廠房及民房、清真寺等建筑；區內地面基本適合開展高密度電法工作。

2.2 野外工作方法及目的

根據采空區的位置和地形場地條件，在擬建區布設高密度電阻率法勘測剖面共計3條，確定采空區邊界，為擬建廠房設計及后續采空區勘探物探方法選擇提供依據。高密度電阻率法測量時，根據剖面的長度及電極距離不同，剖面電極個數選擇90或120個，電極距為5～10 m，最大間隔系數為36，最終數據反演采用快速最小二乘法。

3 條高密度電阻率勘測剖面中，高密度-1、高密度-2 剖面沿南東—北西向平行展布于勘測區內，高密度-3 剖面為短剖面，位于勘測區東南角，垂直于前2條剖面。工程布置如圖3所示。

2.3 高密度電阻率法剖面電阻率異常特征

2.3.1 高密度-1剖面異常特征

高密度-1 剖面共布設電極120 根，電極距為7 m，剖面總長度為833 m。剖面反演成果綜合地質解釋推斷見圖4、圖5，圖4 為進行6 次迭代后的深部斷面電阻率異常結果，圖5 為進行3 次迭代后的結果，通過對實測數據進行不同次數的迭代對比，可以判斷出不同深度的斷面信息。

（1）高密度-1剖面0～336 m區段地表以淺為厚度15～20 m 的低阻層，為第四系覆蓋。地層裂隙發育，含水較豐富，該區段地表較多裂縫，裂隙，地層風化強；高密度剖面①～②區段為地表低阻體，在-10～-40 m深度有一寬約63 m的高阻體，推斷為北大槽煤層主煤層位置，局部分布薄煤層。

（2）高密度-1剖面③～④區段下方0～130 m深度范圍內呈現大面積低阻區，該低阻異常帶推斷為采空塌陷區域，推斷為受煤層開采影響的裂隙發育巖體有關。

（3）高密度-1 剖面④～⑤區段深部40 m 左右有一高阻異常體，其異常邊界為高密度剖面420～476 m，綜合地質解釋推斷為南大槽主煤層位置，局部分布薄煤層；近地表淺層有第四系覆蓋。

（4）高密度-1剖面553 m至剖面終點淺部高阻異常帶推斷為基巖淺層地表水疏干區，結合區內抽水井出水情況，推斷該區域深部積水是由西側深部積水區涌入。

（5）高密度-1 剖面最東段，以剖面710 m 位置為中點，深部35～50 m 有一條帶狀高阻異常帶沿近東西向展布，推斷在該位置下方存在空洞，由于電法測量的體積及旁側效應，在測線中心位置兩側的空洞及其他高、低阻異常體均會在電法剖面上產生高阻或低阻異常。該異常段淺部為高阻帶，2 條高阻帶中間夾低阻體B1，推斷該低阻異常為淺部積水。

綜上所述，結合區內前人地質資料推斷，該剖面①～⑤區域為煤田采空塌陷影響區域，⑥區域附近為采空區邊界位置，剖面553m 位置為采空塌陷區影響邊界位置。

2.3.2 高密度-2剖面異常特征

高密度-2剖面與高密度-1剖面具有類似的電性分布特征。高密度-2 剖面共布設電極83 根，電極距為10 m，剖面總長度為820 m。剖面反演成果綜合地質解釋推斷見圖6。

（1）第四系覆蓋厚度為15～20 m。高密度剖面0～410 m區段地層裂隙發育、含水豐富。地表下0～-15 m呈條帶狀低阻異常帶，推斷解釋為含水區域。

（2）高密度-2剖面①～②區段的地下30～50 m深部，有一明顯中高阻異常體，該中高阻異常體西側相同深度同樣出現一形態大小相同的高阻異常體，推斷該范圍區段為北大槽煤層主煤層位置，周圍分布薄煤層。

（3）高密度-2 剖面③～④區段由淺部到深部呈現高阻異常，局部低阻異常推斷為破碎積水；該區段綜合地質推斷為南大槽主煤層位置，局部分布薄煤層。

（4）高密度-2 剖面570 m 附近有一出水井，出水量較好，根據斷面圖所示，該區段深部呈明顯的低阻異常區，其東側30 m左右20～30 m深度有一明顯低阻異常區，地質推斷該區域位置為地下積水區。

（5）高密度-2 剖面東段690 m 處的30～55 m 深部為A2高阻異常體，近東西向展布，推斷在該位置下方存在空洞，引起該高阻異常特征，由于電法測量的體積及旁側效應，在測線中心位置兩側的空洞及其他高、低阻異常體均會在電法剖面上產生高阻或低阻異常，且該剖面南側高阻異常高于其北側。該異常段淺部為高阻帶，2 條高阻帶中間夾低阻體B2，該低阻體位于15～25 m 深度，推斷該低阻異常為疑似充水空洞。

結合地質及礦山資料綜合推斷，高密度-2 剖面①～④區域為煤田采空塌陷破碎區域，推斷剖面455 m 附近的位置⑤為采空區的邊界，550 m 附近的位置⑥為采空塌陷區影響邊界位置，施工設計期間應注意。高密度剖面550 m 至剖面終點區段為基巖淺層地表水疏干區，推斷該區域深部積水是由西側深部積水區涌入。

2.3.3 高密度-3剖面異常特征

高密度-3 剖面共布設電極120 根，電極距5 m，剖面總長度為595 m。剖面反演成果綜合地質解釋推斷見圖7。

（1）高密度-3 剖面0～340 m 的0～10 m 淺層區域呈明顯的高阻異常帶，在170 m 附近有水井，該水井位置下方15～40 m 深度呈明顯低阻異常，推斷為地下積水區。

（2）高密度-3 剖面整體高低阻異常交互出現明顯，異常呈近球狀特征，綜合地質推斷解釋該剖面下伏地層巖石破碎、局部含水。剖面240～265 和285～315 m 區段中20～55 m 深部有2 個低阻異常體B3-1、B3-2，由于電法測量的體積及旁側效應，在測線中心位置兩側的空洞或異常體均會在電法剖面上產生高阻或低阻異常，因此推斷該區段深部有疑似空洞。

（3）高密度-3 剖面①～②區段范圍內呈明顯高阻下伏中低阻異常形態，建議在該區段范圍內250 m附近布設鉆孔ZK03，鉆孔深度為50～90 m，探明其深部附近電阻率異常體原因。

（4）高密度-3 剖面在90～110 m 區段20～35 m 深部，有一處A3-1 高阻異常；在165～205 m 區段的50～70 m 深部，有一處A3-2 高阻異常。由于體積及旁側效應，2 處高阻異常之間平面距離約40 m，且深部高阻異常與淺部高阻異常中間夾一層低阻異常帶B3，推斷為地下水積水區，因此，推斷深部2 個高阻異常為地下空洞所致。

2.3.4 采空區平面異常推斷解釋

該區采空區深部積水主要呈低阻特征，淺部采空區具有相對高阻特征，采空區主要分布于明顯低阻及高阻接觸帶范圍內。根據以上3 條物探剖面成果及相關地質和礦山資料綜合推斷解釋，調查區采空及影響范圍主要位于勘查區西側（圖8），主要特征表現為圈閉的高電阻率異常及低阻異常向深部延伸特征。圖8 中虛線為煤田采空塌陷破碎影響區的邊界位置。

3 結論

（1）本次物探勘查根據高密度電測深法、地裂縫調查和地質資料綜合解釋，基本查明擬建區內煤層采空及影響區的平面及縱向分布范圍，可供下一步鉆孔布設、擬建污水處理廠選址設計參考。結合電法剖面解譯，擬建場地內共有高阻異常5 個，分別為A1、A2、A3-1、A3-2、A4，低阻異常5 個，分別為B1、B2、B3、B3-1、B3-2，均在剖面深部50 m 以淺發現，推斷為地下空區造成。

（2）綜合推斷解釋采空及影響區主要分布于調查區西北段，采空影響區上部因采空塌陷破碎地層水疏干，整體呈高阻特征，深部低阻異常為采空積水區。

（3）調查區西段第四系覆蓋電性特征為連續的水平層狀低阻；東段第四系覆蓋為不連續高阻特征。綜合推斷，東部因水井抽水原因淺部地表水疏干，而深部受西部采空區積水涌入影響，深部含水豐富，存在地基沉降可能，同時巖體完整性遭到破壞。

（4）雖然高密度電阻率法用于地下陡傾煤礦采空區探測可以取得更好的效果，但該方法也存在探測深度不夠的問題，建議今后加大數據采集量，結合其他物探方法綜合研究，提高探測效果。