超高密度電阻率法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用

喬天成

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊，烏魯木齊 830011）

1 超高密度電阻率法簡介

超高密度電阻率法是一種集高速，大量數(shù)據(jù)采集，靈活的電極布置和反演技術(shù)于一身的電法新技術(shù)。它的基本思路仍然是基于電法勘探的最基本原理[1]，即基于在人工直流電流的作用，達(dá)到勘探地下地質(zhì)構(gòu)造，判別地層巖性的目的。采用的儀器是澳大利亞ZZ Resistivity Imaging 研發(fā)中心生產(chǎn)的FlashRES64 多通道、超高密度直流電法勘探系統(tǒng)。通過一次布極，計算機程序化控制電極變化，從本質(zhì)上提高了電法勘探精度和工作效率。

2 超高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理與資料解釋

數(shù)據(jù)處理工作采用澳大利亞ZZ Resistivity Imaging 研發(fā)中心研發(fā)的專業(yè)軟件完成。數(shù)據(jù)處理過程大致包括數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、網(wǎng)格剖分、正演、反演、反演結(jié)果成圖和地質(zhì)成功解釋。

超高密度電阻率法數(shù)據(jù)反演時，首先設(shè)定一個電阻率分布理論模型（和實際地下電阻率分布情況有些差異）；其次用理論模型做正演推算，得出理論電阻率數(shù)值；再次計算實測電阻率數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間的差值；然后按照一定的算法把各個差值歸算到剖分的網(wǎng)格中去，以此校正設(shè)定的理論電阻率模型，得出一個新的理論電阻率分布模型；用得出的理論模型再做正演推算，重復(fù)上述步驟，連續(xù)迭代直到理論模型統(tǒng)計校正值足夠小時停止，就是理論模型與實際電阻率分布已很接近，把這時的理論電阻率分布模型當(dāng)作最終反演結(jié)果[2]。

2.1 2.5維電法正演基本方程式：

▽?（σ▽`U）-ky2σ`U=-I/2δ（x-xc）δ（z-zc）其中，，σ為電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)），I為電場強度，（xc，zc）為電流極的位置。通過解此方程可得到當(dāng)一個電流極在（xc，zc）處時的電場強度分布狀況。

2.2 電法反演基本方程式：

其中：Φd（m）=||Wd（d0-d（m））||2，Φm（m）=||Wm（m-m0）||2，m 為電阻率，λ 為平衡因子，d（m）為正演推算電場數(shù)據(jù)，d0為實際測量電場數(shù)據(jù)，m0為反演初始模型，Wd和Wm為加權(quán)因子；加權(quán)因子控制迭代過程中對模型的修正量，依實測數(shù)據(jù)信噪比高低取值。

3 在勘探煤田采空區(qū)中的應(yīng)用實例

工作區(qū)目標(biāo)體與圍巖地層的電阻率差異明顯，為該區(qū)進(jìn)行超高密度電法勘探工作提供了良好的地球物理前提。但由于各種介質(zhì)的電阻率除本身的電性特征外，還受多種外界因素的影響，如濕度、溫度、孔隙度等等，所以通過鉆孔資料的協(xié)助來對該地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行針對性的分析，可以顯著提高解釋的準(zhǔn)確性。

此次超高密度電阻法測量共完成了7條剖面，其中5 條為平行公路主線的縱剖面，1 線和2 線為垂直公路主線的橫剖面。以下重點介紹典型特征剖面2號線。

3.1 2號線剖面成果解釋推斷

電阻率斷面圖顯示，該剖面的地層主要分為3層（見圖1）：

圖1 2號線剖面視電阻率及推斷解釋圖

圖2 1號大橋采空區(qū)推斷解釋平面圖（俯視圖）

圖3 1號大橋采空區(qū)推斷解釋平面圖（左視圖）

①在表層為粉土、碎石土及大塊礫石，電阻率中等，約為150～600Ω·m，厚度差異較小。西段厚度小，基本可見煤層及強風(fēng)化的砂巖出露，覆蓋層基本小于1 米；中東段厚度稍大，約在5～10 米，有多處小規(guī)模的中高電阻率異常，可能與覆蓋層中規(guī)模較大的強風(fēng)化砂巖塊體有關(guān)。

②第二層為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，厚度較小，顯示為中低電阻率特征，電阻率值約為60～400Ω·m，厚度約為5～30 米。中部300～480 米整體向下塌陷，可能存在大規(guī)模的破碎帶。

③第三層為中風(fēng)化砂巖、礫巖，剖面西段和東段電阻率高，變化平穩(wěn)，總體約在200～800Ω·m之間，厚度約為30～150 米；局部圈閉的電阻率高，大于1500Ω·m。與出露的中下侏羅統(tǒng)西山窯組泥質(zhì)粉砂巖、砂巖電性特征吻合。

剖面中部300～480米整體顯示為低阻異常，延深較大，地表可見多處塌陷坑，有垮塌現(xiàn)象，因此認(rèn)為該處低阻異常可能是富水的斷裂破碎帶引起。在距離剖面西北端310 米處，剖面穿過1#礦坑道，顯示為小規(guī)模的低阻異常，該坑道位于山前匯水區(qū)，因此，推測該低阻異常可能是1#礦坑道采空區(qū)的反應(yīng)。

3.2 平面成果解釋推斷

為有效查明工作區(qū)的采空區(qū)位置和分布特征，物探布設(shè)了十字剖面進(jìn)行詳細(xì)普查，將縱、橫剖面發(fā)現(xiàn)的采空區(qū)進(jìn)行綜合分析，繪制了區(qū)內(nèi)采空區(qū)的平面分布特征成果表，以便指導(dǎo)下一步工作的開展。通過縱剖面的俯視圖和左視圖可以看到，工作區(qū)內(nèi)主要存在兩條疑似貫通的采空區(qū)，剖面中部的采空區(qū)規(guī)模略大，自8 線一直延伸到12 線，連續(xù)性較好，是本區(qū)存在的最大安全隱患。

4 結(jié)論

本次物探工作依據(jù)煤層、采空區(qū)與圍巖存在電性差異特征，采用超高密度電阻率法對本區(qū)煤層采空區(qū)進(jìn)行勘察，通過7 條剖面的綜合分析，圈出了12處疑似采空區(qū)，有四處與已知的三個采礦坑道、通風(fēng)井吻合較好，高密度電法獲得的異常能夠有效識別采空區(qū)、塌陷區(qū)的位置及延伸特征，達(dá)到了本次工作目的。