高密度电法在煤矿采空区勘察中的应用

李家春

高密度电法在煤矿采空区勘察中的应用

李家春

(广东省核工业地质调查院，广州 512028)

高密度电法在许多工程勘察中有着广泛的应用，如地基勘察、地裂缝探测、岩溶塌陷、采空区调查及其他方面，均能发挥重要作用，本文着重讨论其在采空区方面的应用，说明其可行性、合理性。

高密度；电法；采空区；勘察

1 引言

高密度电法是近代发展起来的一种电阻率法，经过多年的实践探索，目前已经广泛应用于矿产开发及工程建设中，其原理与常规电阻率法完全相同，但也有着自身的独特性。

高密度电法具有电距小、数据采集密度大的特点，反演的断面图能直观、形象地反映断面电性异常体的形态、规模、产状、埋藏深度等。通过断面电性异常体的形态、规模、产状，结合地质调查结果，可以较准确地推测出地质体空间形态情况、地层岩性、断裂等情况。

高密度电法探测成本低、效率高，地电信息丰富且探测精度高，而且能做定量解释，在适合探测区域内能够达到非常好的效果。

高密度电法异常特点明显，对于解决采空区及其他孤立地质体，可以得到清晰、直观的二维效果。由于高密度电法在煤矿采空区勘察中有着上述显著特点，故本次勘察采用高密度电法，最后辅以钻探进行验证。

2 采空区的形成

所谓采空区是指地下矿体采出后所留下的空间区域[1]。当矿体(如煤、金属矿石等)从地下被采出来后，上部覆岩失去支撑而导致平衡破坏，应力重新分布，以期达到新的平衡。在此过程中，采空区上部岩体变形和移动会向上波及地表，地层内部岩石的强度和内聚力会大大降低，并在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式，并形成地表移动盆地，我们将其称之为采动区[2]。

3 采空区的电性特征

通常情况下，视电阻率值以采空区(空洞)为最高，其次是石灰岩、煤层，泥岩及冲水岩溶裂隙岩层为最低。电阻率值大小依次为:采空区(空洞)>灰岩>砂岩>泥岩(含水裂隙岩层) >煤层。

本次所列举实例为灰岩地区煤矿采空区勘察，工作区各岩层常规物性特征如下：煤层100～30 Ω·m；薄层灰岩、粗砂岩300～1000 Ω·m；泥岩含水30～100 Ω·m；石灰岩300～2000 Ω·m；第四纪覆盖层一般在40～70 Ω·m；含水(砂岩、黄土)<30 Ω·m；雨水>100 Ω·m。上述仅是不同岩层的常规值，当岩层有各种松散的裂隙、孔隙存在，且含有地下水时，将会改变原来的物理特性，使其电阻率急剧下降。这种变化程度正比于松散、裂隙中的含水强弱。煤层被采空后，在煤层上下岩层间形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率值明显高于周边完整岩石处的电阻率，表现出明显的局部高阻特性，当采空区的空隙被水充填，其电阻率呈低阻反映，这些特性成为高密度电法探测地下采空区良好的地球物理勘探前提。

4 高密度电法勘探原理

高密度电阻率法是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，获得地层中的电阻率分布情况，推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况。

5 野外数据采集

本次高密度电法勘探采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9超级高密度电法系统，共布设4条电法勘探测线，采用温纳装置，60道电极测量，供电时间0.5 s，在相邻的两个剖面之间重合30个电极，测量前进行接地电阻检测，检测值均小于2 kΩ·m。

6 数据处理[4]、解释及成果说明

高密度电法资料处理先将仪器内的测量数据通过传输软件传输到计算机中，运用RES2DINV高密度电法反演软件进行坏点删除、地形校正、格式转换及反演计算等步骤，再利用Surfer软件可直接绘制成视电阻率等值线图。在等值线图上根据视电阻率值的变化特征，结合钻探、地质调查资料作出地质解释，最后利用绘图软件AutoCAD绘制出物探成果解释图。在此选取Ⅰ-Ⅰ′、Ⅲ-Ⅲ′两条测线剖面图进行成果说明，见图1、图2。

图1 芙蓉山隧道Ⅰ-Ⅰ′勘探线物探成果剖面图

图2 芙蓉山隧道Ⅲ-Ⅲ′勘探线物探成果剖面图

测线Ⅰ-Ⅰ′、Ⅲ-Ⅲ′所在区域：上层为松散覆盖层，主要为残、坡积土，全风化层等，土质松散，稳定性差，该层视电阻率一般较低；下层为中风化层，主要为中风化炭质灰岩，砂岩、泥岩和泥灰岩互层，岩质较硬，节理、裂隙稍发育，稳定性较好；该层视电阻率远高于松散覆盖层，视电阻率随风化强度减弱逐渐增高。

图1所示，测线Ⅰ-Ⅰ′，zk1+660～685，深度8～26 m，面积约200 m2存在一明显低阻区域，并贯穿于覆盖层和中风化层，视电阻率值为2.5～28.5 Ω·m。上部蓝色条状区域为采空巷道，下部更为宽广的面状区域为煤矿采空区域。

图2所示，测线Ⅲ-Ⅲ′，zk1+500～570，深度7～38 m，面积约458 m2；zk1+620～700，深度5～31 m， 面积约286 m2存在两处明显低阻区域，并贯穿于覆盖层和中风化层，视电阻率值分别为3.7～27.3 Ω·m，3.3～26.7 Ω·m。上部蓝色条状区域为采空巷道，下部更为宽广的面状区域为煤矿采空区域。

经过后期钻孔验证，均证实上述区域存在煤矿采空区，内部含有残留某矿，并含有含水充填物。

7 结论与建议

本文通过一个成功的工程案例主要探讨了高密度电法在煤矿采空区勘察中的应用，并且在后期的钻探中得到了验证，为下一步工程设计提供了可靠的依据。由此可以看出在此类工程勘察中采用高密度电法是可行的，并且在某些方面具有其独特的优势。

本次成功应用的前提是具有合理的条件：①合理电极距的选择，在前期野外调查中，大致了解了开采情况，最终确定了5 m的勘探间距；②场地条件较好决定了数据采集的质量；③数据处理，避免人为因素的影响使得正确的数据点因被剔除而导致无法得到正确的反演图；④结合已知的各种地质资料，对反演图进行正确的物探解译。

[1] 仲继寿. 采动区砌体结构房屋变形控制设计[M]. 北京:煤炭工业出版社, 1995.

[2] 颜荣贵. 地基开采沉陷及其地表建筑[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995:38-125.

[3] 煤炭科学研究院唐山分院、霍州矿务局合编. 西部厚黄土层条件下抗变形窑洞住宅村庄下采煤研究报告[R]. 1992:1-84.

[4] 刘兴华, 王艳丽. RES2DINV与SURFER软件在高密度电法中的应用[J]. 科学与财富, 2011(3):126-127.

[5] 王爱国, 马巍, 王大雁. 高密度电法不同电极排列方式的探测效果对比[J]. 工程勘察, 2007(1):72-75.

[6] 马志飞, 刘鸿福, 叶章, 等. 高密度电法不同跑极方式的对比及效果分析[J]. 工程地质计算机应用, 2008 (3): 11-15.

[7] 肖宏跃, 雷宛, 雷行健. 高密度电阻率法中几种装置实测效果比较[J]. 工程勘察, 2007(9):65-69.

2016-12-22

李家春(1967-)，江西南康人，广东省核工业地质调查院工程师，广东省广州市花都区天贵路68号，Tel：13826379911，E-mail：524043105@qq.com。

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