高密度电法对多采空区探测效果模拟研究

曹静，董晓强，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

高密度电法对多采空区探测效果模拟研究

曹静，董晓强，吴灿灿

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

随着煤炭资源开采整体战略的转移，复杂条件的开采环境愈发体现出来，特别是存在多采空区的情况下，多采空区的空间分布导致地下介质结构更加复杂，从而影响开采工艺、开挖方式等.为了研究复杂结构下探测多采空区分布情况， 本文利用高密度正演模拟软件RES2Dmod，分别采用温纳α、温纳β、单边三极和温施四种装置对不同的多采空区排列方式进行正演模拟研究.通过对模拟数据的对比分析，得到不同装置形式对不同采空区分布状况的勘探效果表现情况，为实际现场工作的数据采集设计提供参考意见.

高密度电法；RES2Dmod；多采空区

引言

由于前期我国煤矿开采部分不规范，而且大部分煤矿开采过后没有经过处理，因此在这种背景环境下形成的采空区存在很大的安全隐患，容易引起地面塌陷、环境污染，甚至可能对人民的生命财产造成危害[1].为此，查明采空区的存在形式对灾害防治以及防范危险措施成为首要任务.

地球物理勘探随着工程需要发挥着越来越大的作用.根据目前取得的研究成果来看，大部分研究的对象都是相对较简单的单个采空区情况，对单个采空区的防治水研究已十分广泛[2，3].常用的物探方法有地震勘探、瞬变电磁法、无线电波透视法、直接电法等，特高密度电法以其高效、经济、显著等特点被广泛利用.但是，对于多采空区并存的情况，勘探研究相对较少[4，5]，较准确的查明多采空区的分布情况及组合方式，有很大的难度，尤其在采空区相对电性不明确的情况下，对数据的分析甚至可能连定性解释的程度都达不到，容易产生漏解或错解.

1 高密度电法简述

高密度电阻率法和传统的电阻率法原理相同，主要是利用岩矿石之间的电性差异，人工施加外部电场，观察电场在地下的传播变化情况，进而解决构造、工程、环境等问题.由于其一次性可以布设多个电极，工作效率高、成本低、信息丰富等优点，被广泛的应用到各类工程勘察中[6,7].

2 数值模拟

2．1 正反演

对于电阻率正演模拟常用方法有有限差分、有限元、边界单元法等.本次正演所使用的模拟软件RES2DMOD[8]系瑞典M.H.Loke博士所研发的二维有限差分区域计算方法.通过对整个研究区域进行离散，即使较复杂的地电结构也能较为准确的计算.为保证计算结果的精度，网格在划分时，水平方向均匀化，深度方向采用接近地表小间隔，随着深度增加，网格间距逐渐增大.

反演采用最小二乘法，通过RES2DINV软件对数据进行反演，计算地下电阻率并通过断面图显示.

2．2 模型设置

高密度电法的装置形式有很多，不同的装置形式对不同的探测目标体有不同的效果[9,10].为了达到分辨目的，分别利用温纳α、温纳β、单边三极和温施四种装置形式，对多采空区分布情况进行正演模拟.

2.2.1 等深双采空区正演模型

图1模型设置了双采空区在埋藏深度相同的情况下，相邻的高、低阻异常体.测线长度设为1 000 m，地表水平，双采空区异常体大小设为50 m×71 m，水平位置位于300～350 m、675～725 m，埋深为116～187 m，表层电阻率设为60，底层电阻率为1 000.

图1 等深双采空区模型

图2 等深双采空区在不同装置下的视电阻率断面图

根据图2显示的正演结果，可以清晰的看出在等深双高阻采空区中，温纳α、温纳β以及温施装置基本沒有异常特征反应，只有单边三极装置有比较微弱的异常反应特征.但是在等深双低阻采空区模型当中，这四种探测装置的反应都显得很敏感，这就导致掩盖了部分采空区对应位置的低电阻的异常反应特征，无法根据探测结果来判断采空区的具体位置.整体来讲，等深双采空区的相对电性情况对单边三极装置的影响相对来说是最低的，对应的采空区低电阻位置异常反应特征较为明显.

2.2.2 同轴双层采空区正演模型

图3模型设置了两个采空区不在同一埋藏深度，但位于同一轴向上.测线长度设为1 000 m，地表水平，双层采空区异常体大小设为50 m×32 m和120 m×71 m，水平位置位于450～500 m、440～560 m，埋深为34～66 m、116～187 m，表层电阻率设为60，底层电阻率为1 000.

图3 同轴双层采空区模型

根据正演模拟结果的视电阻率断面图(图4)可以看出，同轴高阻双层采空区异常响应明显，温纳β、温施和单边三极装置都能很准确的反应上层采空区的位置，只有温纳阿尔法显示的结果比较模糊，但是对下层采空区情况的反映几乎没有；同轴低阻双层采空区的四种装置形式的响应能够较准确的反映其水平位置，但是，异常响应结果是将双层采空区作为一体，根据反演的视电阻率断面图无法判别采空区的数目.

图4 同轴双层采空区在不同装置下的视电阻率断面图

2.2.3 双层采空区正演模型

图5模型设置了两个采空区不在同一埋藏深度，同时也不位于同一轴向上.测线长度设为1 000 m，地表水平，双层采空区异常体大小设为50 m×32 m和100 m×71 m，水平位置位于450～500 m、440～560 m，埋深为34～66 m、116～187 m，表层电阻率设为60，底层电阻率为1 000.

图5 异深异轴双层采空区模型

图6 异深异轴双层采空区在不同装置下的视电阻率断面图

根据图6所显示的信息可以判断出温纳β、温施和单边三极装置对异深异轴高阻双层采空区的上层异常反映灵敏，能准确定位，但是温纳阿尔法的结果容易将其异常信息忽略.四种装置形式对下层的采空区异常反映不灵敏.温纳β对异深异轴低阻双层采空区的响应效果最好，能识别低阻采空区异常的数量，同时对于相对位置的反映也很明显，其他三种装置形式相对较差.

3 结论

1)高密度电法的装置对于低电阻的采空区的反应比高电阻的灵敏很多，特别是其中的单边三极装置，对于采空区的异常反应尤为明显，而对高电阻的采空区则没有什么异常特征反应.

2)高密度电法装置对于水平位置不一样，埋深深度不同的上下双低阻采空区的异常反应特征有很大的差别：当采空区的水平位置较为接近的时候，四种装置对低电阻的空区有较大范围的异常反应，这便无法有效的判断采空区的具体位置；当采空区的水平位置有一定的差别的時候，四种装置都能有效的反应，但是埋深较深的空区的反应灵敏度不是很明显.

3)而埋深深度不同的上下双高阻采空区，不管是否在同一个水平位置，这四种高密度电法装置都只能反应出埋深层度比较浅的高电阻采空区，尤其是温纳α的反应敏感度明显低于其他三种装置.

对于不同的电性组合排列的多采空区，不同的装置形式有不同的探测效果，实际工作中可以参考前期数据资料进行合理的装置形式选择，则可以取得较好的探测效果.

[1]王啟明,徐必根,唐绍辉,等. 我国金属非金属矿山采空区现状与治理对策分析[J]. 矿业研究与开发,2009,04:63-68.

[2]郝治国,贾树林,文群林. 综合物探方法在采空区及其富水性探测中的应用[J]. 物探与化探,2012,S1:102-106.

[3]肖川,张义平,刘超,等. 高密度电法在探测煤矿采空区赋水情况的应用研究[J]. 科学技术与工程,2012,30:7999-8003.

[4]王晓彦,刘鸿福,余传涛. 综合电法在煤矿双层采空区探测中的应用[J]. 山西煤炭,2012,03:61-62+80.

[5]胡啸. 基于高密度电法的煤矿多层采空区数值模拟研究[D].太原：太原理工大学,2016.

[6]王士鹏. 高密度电法在水文地质和工程地质中的应用[J]. 水文地质工程地质,2000,01:52-56.

[7]罗登贵,刘江平,王京,程邈. 活动断层高密度电法响应特征与应用研究[J]. 地球物理学进展,2014,04:1920-1925.

[8]M.H. Loke, Res2DMOD. Copyright (1996-2002), 2002.

[9]马志飞,刘鸿福,叶章,等. 高密度电法不同装置的勘探效果对比[J]. 物探装备,2009,01:52-55+67.

[10]郑冰,李柳德. 高密度电法不同装置的探测效果对比[J]. 工程地球物理学报,2015,01:33-39.

On Detection Effect Simulation of the High-density Resistivity Method over Empty Areas

CAO Jing, DONG Xiao-qiang, WU Can-can

(School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou Anhui 234000, China)

With the transfer of the overall mining strategy of coal resources, the complicated conditions of mining environment has been increasingly reflected, especially, the spatial distribution of many gobs has caused underground medium more complex, thus affecting the mining and excavation methods. In order to study the gob distribution in complex structure, using high-density modeling software RES2Dmod, the paper uses Wenner α&β, a unilateral triode and temperature devices to simulate different empty area arrangements., which shows different device forms with different mining exploration effects and provides a meaningful reference for the data acquisition design in the actual fieldwork.

high-density resistivity method; RES2Dmod; empty area

1673-2103(2017)02-0059-06

2016-11-25

宿州区域发展协同创新中心全国开放课题(2014SZXTKF08)；宿州学院科研平台开放课题资助(2014YKF07)；宿州学院一般科研项目(2014yyb08)

曹静(1987-)，女，山东济宁人，助教，研究方向：地球物理电法勘探.

P319.2

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