采空区探测高密度电阻率法的应用

李远强

(北京市地质研究所,北京 100120)

北京市门头沟区和房山区煤矿开采历史久远,开采最早在元代,至今已有800多年.煤层主要分布于石炭-二叠煤系地层,厚度0.5～10多米不等.解放前长时间内的小窑无序开采其深度较浅,一般为几十米,个别达到100m;解放后的国矿开采深度较大,按照安全规定采掘.改革开放后,私营煤矿超采超挖现象严重,少有矿井资料,关闭后留有许多隐患.北京平谷地区金矿历史开采,留下诸多未知采空区.

随着现代经济的快速发展,为增加土地利用,采空区的勘查显得尤为重要.近十年来,高密度电阻率法为地下采空区探测做了大量的工作,取得了良好的效果.

1 高密度电阻率法

(1)基本原理

高密度电阻率法的基本原理等同于常规电阻率法,它是利用不同地层岩石所具有的电性差异,通过地表不同电极距的设置采集到地下不同深度的视电阻率值,再对蕴含有各种地质体信息的视电阻率值,采用数据处理、成图及解释,从而推演出地质体的大小、形状、分布和特征[1].高密度电法与常规电法相比,它具有以下优点:①由于电极的布置是一次完成的,测量过程中无须跑极,因此可防止因电极移动而引起的故障和干扰;②在一条观测剖面上,通过电极变换或数据转换可获得多种装置的ρs断面等值线图;③可进行资料的现场实时处理与成图解释;④成本低,效率高[2].

(2)探测方式

高密度电阻率法常用的电极装置有:①温纳装置(AMNB),对接地条件差,供电干扰严重,采用该装置有一定的优势[4];②偶极装置(ABMN);③微分装置(AMBN);④施伦贝尔装置(A-MN-B),也可采用二极、三极、自电、充电装置等.高密度电阻率法的观测方式分为两类:剖面类观测和测深类观测.

只要场地条件许可,尽量采用剖面类观测方式,尤其是首选温-施剖面装置,因为这种观测方式真正集中了电剖面和电测深法的优点,其采集点分布更均匀合理,在不少场合、不同要求的勘探项目中都可以取得好的效果.如果条件许可,尽可能采用多种装置方式进行测量,因为每种排列方式的供电电极和测量电极位置不同,对异常体的分辨能力和探测深度有很大的关系.针对地形地质条件和不同的探测目的,选取合理的装置排列是取得良好探测效果的关键.

2 野外工作及数据处理

(1)野外工作

野外测线布置是探测工作的重要前提,测线要尽量保持一条直线,并垂直于探测地质体的走向.测线弯度过大、过急均会影响到探测数据的质量.

接地电阻的大小也对探测数据有很大的影响,一个电极接地电阻过大,会影响一组数据,不利于后期资料的处理和解释.故保持每个电极的接地电阻大小相当,才能保证采集到高质量的数据.通常采用浇水(或盐水)、加大深度、挖坑填土、增加电极、堆土和小范围移动的方法来减小接地电阻,提高数据质量.如果某个电极接地电阻过大,后期剖面图像会出现"对称双八字"干扰异常.

(2)数据处理

高密度电阻率法数据处理软件主要有:吉林大学Geogiga RTomo数据处理软件、中国地质大学(武汉)研制的2.5维电阻率成像系统、河北廊坊中石油物探所的"电法工作站"和瑞典的Res2dinv数据处理软件.其数据处理模块大体类似,处理之前均需要进行数据格式转换,主要处理流程包括坏点剔除、水平垂直圆滑滤波、设置深度调整系数、地形改正和反演.根据探测现场的实际情况,不同的装置宜采用不同的数据处理参数,方可达到最佳探测效果.这需要认真分析地形地质条件、干扰因素、水文条件等资料,也需要经验积累.

原始数据等值线剖面图是数据处理过程中的中间图件,在解释工作中不应忽视,好的原始数据剖面图上可直接清楚地反映出异常.在有条件情况下,可以使用两种以上软件进行反演处理,反演结果剖面图要对比分析,再结合实际地质、水文等条件、参考原始数据剖面进行综合解释,使解释结果合理.

对于地形平缓、接地条件好和数据质量高的剖面,其反演成果剖面可信度高;对于接地条件差和原始数据质量较差的数据,其反演成果剖面往往会误导解释结果,此时要多参考原始数据等值线剖面图.通常情况下,地层分层、定性分析多用视电阻率剖面(原始数据);对于局部采空异常,则用反演剖面进行范围圈定较好.

3 探测实例

(1)门头沟南港采空区探测

工作区处于门头沟中部的低山区,总体地势南高北低,地表分布有第四系松散覆盖层.出露地层为侏罗系南大岭组(J1n)和窑坡组(J1y),南大岭组岩性为暗绿色玄武岩,夹凝灰岩、火山角砾岩、砂岩和页岩等;窑坡组是含煤地层,岩性为深灰-灰黑色含砾粗砂岩、石英砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤层.区内地层总体为单斜构造,地层产状170°∠20°.可采煤层有一、二、五、七、九槽煤,煤层厚度变化较大,0～8.27m,均厚0.95～1.90m.解放前该地区煤矿己大量开采,改革开放后,个人和集体有大量开采,最大的集体马各庄煤矿已于两年前停采.工作区内有孔隙水、构造裂隙水和风化裂隙水岩组,井田开采后,地下水由巷道排泄,目前地下水位较大.

测线垂直于煤线方向近南北向布置,共布置电极60根,间距10m,采用温纳排列装置.现场接地条件较好,接地电阻均小于1kΩ,采集数据质量可靠.后经Res2dinv数据处理软件地形改正、滤波、最小二乘反演等处理后,生成高密度电阻率法视电阻率剖面图(图1).

从视电阻率剖面图上分析:①整体电阻率值较高,均值 1600Ω.m左右,反映出地下岩体干燥不含水的特性.②局部出现了大于4000Ω.m的高阻异常区,其中测线170～220m处深70m存在一封闭高值异常区,最高值8500Ω.m,推测为一采空区.③测线415～440m处深20m的一封闭高值异常区,最高值达10000Ω.m,推测为一浅部小窑采空区.④测线165m、225m、260m处深20m的3个封闭高值异常区,视电阻率值不是很高,仅有3000Ω.m,推测为浅部小窑采空区坍塌后充填泥沙.

该测线采空异常清晰,深部、浅部异常效果良好,是典型的采空区高阻异常反映.在测线175m处曾进行过钻探施工,在60m处遇到了采空区,净高4m,验证了该异常的准确性,证明了高密度电阻率法探测采空的有效性.

(2)门头沟圈门采空区探测

圈门地处门头沟西部黑河沟谷内,地形北高南低,坡度小于5°,地表有松散堆积物(冲洪积物)覆盖;地层有中生界的窑坡组(J1y),地层产状为355°∠25°,岩性以中厚层砂岩为主,夹粉砂岩和泥岩,砾岩,含5层可采煤层,厚度0～2.6m.该区煤矿开采历史久远,浅部分布大量小窑采空区,深部存在国矿采空区.由于该区域地势较低,国矿门头沟煤矿已停采十多年.

测线垂直于煤层走向近南北向布置,共布置电极60根,间距5m,采用温纳和施伦贝尔排列装置.现场接地条件较好,接地电阻均匀介于2～3kΩ,采集数据质量可靠.后经Res2dinv数据处理软件滤波、最小二乘反演等处理后,生成高密度电阻率法视电阻率剖面图(图2).

从视电阻率剖面图上分析:①表层电阻率值较高,均值 150Ω.m左右,是地表松散堆积物的反映.②局部出现了1Ω.m的封闭低阻异常区,如测线60～85m处深20m、170～195m处深25m和215～240m处深15m存在3个异常区,最低值0.24Ω.m,推测为3个浅部小窑采空区,存在积水.③测线100～150m处深20m以下的一半封闭低值异常区,推测为一浅部小窑积水采空区.该剖面也是典型的低阻异常积水采空反映剖面.

该测线温纳装置剖面(图3),其表层电阻率的高阻特征反映了浅表松散堆积物,深部的低值异常范围较大,横向分辨率不及施贝排列剖面.这是因为温纳装置电极排列AM=MN=NB=nX5m(n为正整数),而施贝装置电极排列MN=5m、AB=nX5m(n为正整数),也就是在相同AB供电间距的情况下,施贝装置要比温纳装置横向多采样n-1个点,其横向分辨率明显提高.因此,对于浅部小采空异常,施伦贝尔排列优于温纳装置,可以取得更好的探测效果.

在测线225m处进行钻探验证,堆积物厚5m,在14.7m处遇到采空,采空高1.3m.采空充填物为碎石、碳质淤泥(含水).湿的淤泥表现为低电阻率,由此可见,图像解释时判定低值异常为采空区是正确的.

(3)平谷上镇金矿采空区探测

工作区处于平谷区北部的低山丘陵区,地势总体较平坦,北高南低,地形坡度3°,地表为松散层覆盖,杂填土和粘质粉土.出露地层为太古代密云群沙厂组(Ary),岩性为黑云母角闪片麻岩.含金石英矿脉产状20°∠30°,分布密集,间隔3～30m,脉厚2～100cm.该地区金矿开采历史较长,形成一定规模的地下采空区.金矿采空区不同于煤矿采矿区,其开采范围小,顶部围岩不易冒落.工作区内有构造裂隙含水岩组和风化裂隙含水岩组,目前地下水位较深,35m以下.

测线垂直于金矿脉走向布置,共布置电极60根,间距5m,采用温纳排列装置.现场接地条件较好,接地电阻均在2kΩ左右,采集数据质量可靠.后经Res2dinv数据处理软件滤波、最小二乘反演等处理后,生成高密度电阻率法视电阻率剖面图(图4).

从视电阻率剖面图上分析:①浅部松散覆盖层呈低阻反映,视电阻率值小于120Ω.m,反映出覆盖层西侧厚东侧薄的分布特征.②深部岩体呈高阻反映,视电阻率值在400Ω.m左右.③在测线200～235m处深0～29m存在一半球形低值异常区,该区域地面发现有塌陷坑,故推测该区域为一采空区,低电阻率反映采空区充水.

该测线采空异常为半封闭低阻异常,结合地表调查结果判定为采空区.后在测线218m处钻探施工,在11.3m深处遇到了采空区,净高2.7m,底部含碎石、粘土(湿).验证了该低阻异常为采空.并依据此异常确定了采空区的横向边界.

4 结语

采空区高密度电阻率法探测取得良好的效果,从开始测线布置、电极装置、数据处理到最后剖面解释,每个过程都需要处理好技术要点.高密度电阻率法探测的异常没有固定模式,高阻、低阻异常都可能是采空区,封闭或半封闭也是异常的特征之一.所以,异常解释中一定要根据现场地电条件、干扰因素,紧密结合地表、地质、水文等情况进行综合分析,才能做到准确结论.

[1]傅良魁等,电法勘探教程[M],北京:地质出版社,1994.

[2]李金铭,《地电场与电法勘探》,北京:地质出版社, 2005.

[3]谢忠球等,提高高密度电阻率成像分辨率的数据处理技术,湖南省地球物理论丛(2001).

[4]李清林等,《地电成像及其在地学领域中的应用研究》,北京:地震出版社,2010.

[5]北京市地质研究所,《北京市门头沟区王平镇南港村地下采空勘查报告》,2008.

[6]北京市地质矿产勘查开发局,北京市地质研究所.《北京门头沟规划新城前期区域工程地质勘查报告》,2010.