高密度电阻率法在地质灾害勘查中的应用

徐林 杨生文 乐俊波 戴晓明 潘远

摘要：废弃老矿井由于采掘资料缺失，采空区范围不明，给当地的地质灾害成因分析带来一定的困难，高密度电阻率法在探测采空区有明显的效果，能够较好的固定采空区范围。本文采用高密度电阻率法采空区模型进行反演计算成像分析，实测并圈定废弃老窑采空区范围，并圈定了采空区地表移动与变形范围和抽排地下水影响范围，分析了山上地面开裂和塌陷成因、村民房屋开裂成因，表明了高密度电阻率法在地质灾害勘查中具有良好效果。

关键词：高密度电阻率法;反演;采空区;地质灾害勘查

煤矿一般多层开采，采空区呈上下叠加，给探测采空区带来一定困难。采空区造成地表移动和变形，给当地人民的生命财产带来安全隐患。高密度电阻率法以地下岩土体的电阻率差异特征为为研究前提条件，是研究在人工建立的稳定地电场中地下介质电流分布规律的一种主动源电法勘探方法，能根据采空区的充填与围岩电性差异探测出采空区的发育范围，为地质灾害的成因分析提供必要的根据。

1.矿区地质灾害现状调查

LH煤矿由th煤矿和sba煤矿整合而成，含煤地层二叠系上统龙潭组，准采标高为1575m-1160m。th煤矿1995年建井，2009年关闭，无法下井实测，开采M28和M31号煤层。sba煤矿1995年建井，2007年关闭，现无法下井实测，开采M26、M28、M31号煤层。LH煤矿于2016年关闭，现无法下井实测，LH煤矿负责人拒绝提供所需地灾评估所需的采面布置，采掘煤层，每循环消耗的最大炸药量，排水量、涌水量等地质灾害成因分析论证的必要资料。

矿区地质灾害有地裂缝2条和地表塌陷1处。2条地裂缝为2015年8月形成，为连续土层裂缝，地裂缝（DLl）位于2号房屋南西侧约185m处，呈直线型，走向90。，裂宽约lcm-80cm，长约8.Om，可见深度0.lOm-0.50m，向200。方位下沉约20cm;地裂缝（DL2）位于DLI地裂缝的南侧，裂缝呈弧线型，裂缝走向105。方位，现未见裂缝宽度，长约25m，向215。方位下沉约45cm。地面塌陷（TXl）：位于3号房屋的西侧50m，该塌陷直径约8.Om，深约1.2m，呈椭圆形，为第四系松散层塌陷，塌陷形成时间2011年，现已基本稳定。区内有80户民房受损，部分民房及院坝开裂下沉，裂隙宽度Imm-35mm，裂隙长度Om-6m，初次开裂时间从2006年-2016年不等。

根据该项目实际情况，决定采用高密度电阻率法探测LH煤矿的采空区范围。

2.高密度电阻率法理论模型实验分析

根据LH煤矿多层煤采掘的历史，用Res2dmod软件设计个大小一致的两组采空区模型组合，设测线长度lOOOm，电极极距lOm，采用温纳装置测量（见图1）。I号模型组合由水平板状高阻体和低阻体叠加组成，在测线上点号为240m-360m，上部高阻体中心埋深45m，长120m，厚lOm，下部低阻异常体中心埋深85m，长120m，厚lOm。Ⅱ号模型组合在测线上点号为640m-760m，上部低阻体中心埋深45m，长120m，厚lOm，下部高阻异常体中心埋深85m，长80m，厚lOm。高阻体电阻率值5000Ω·m，模拟未充填或半充填采空区;低阻体电阻率值200Ω·m，模拟充水或泥采空区;围岩电阻率值2000Ω·m，模拟煤系地层。根据Res2dmod进行有限差分正演，导出正演数据，在Res2dinv进行反演。

图2中可以清楚的看到四个板状异常体横向上与理论模型范围基本一致;纵向上浅部高阻体与理论模型相似，低阻体范围偏大，深部低阻体纵向上整体下延大于理论模型范围，深部高阻体纵向范围偏大;四个异常体电阻率值与理论电阻率值有偏差。可见高密度电阻率法在横向上能比较清晰的反映采空区范围的大小，在纵向上分辨率稍差，深部分辨率小于浅部，但通过高密度电阻率法探测多层煤采空区是可行的。

3.资料处理分析

3.1工区地质概况

矿区及邻近区域出露地层有：二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）玄武岩，厚度大于115m;二叠系上统龙潭组（P31）粉砂岩、菱铁质粉砂岩夹粘土岩、煤质页岩及煤层，厚度约135m;二叠系上统长兴组（P3C）灰岩，厚度大于40m;三叠系下统飞仙关组（T1f）粉砂岩，厚度大于200m;第四系（Q）残坡积层，厚O-1Om。

矿区内总体构造简单，未发现明显断层，为向南西倾斜的单斜构造，地层总体倾向南西，倾角10°-17°。

3.2高密度电阻率法1号剖面分析

如图3，1号测线布置在测区南部，40m-lOOm点号为已知LH煤矿M6号巷道附近，250m-350m在已知LH煤矿M8号煤采空区附近，480m-540m为已知sba煤矿M28号煤采空区，570m-620m为已知sba煤矿M31号煤采空区附近。

如图4，该剖面浅部电性分布不均匀，第四系电阻率值小于100Ω.m，部分松散且干燥区域电阻率值大于400Ω.m。深部电性分布不均匀，主要由采掘煤层形成的采空区及裂隙引起，在煤层附近共圈定了9个团块状采空区异常，I号采空区横向宽于收集资料采空区，纵向发育范围包含了M8号煤;Ⅱ号采空区推断为采掘M26、M28号煤引起，无已知资料;Ⅲ、Ⅳ号采空区为已知LH煤矿采空区附近;V号采空区在M6露头附近，调查为老窑采掘引起;Ⅵ号采空区推断为采掘M26、M28引起，无已知资料;Ⅶ采空区推断为采掘M26号煤引起，无已知资料;Ⅷ号采空区为采掘M28号煤引起，發育在已知sba煤矿M28号煤采空区附近;Ⅸ号采空区为采掘M31号煤引起，发育在已知sba煤矿M31号煤采空区附近。

通过物探实测资料与收集到采空区范围资料进行对比，在收集到资料的采空区范围，物探测量结果基本与之吻合，由此判定物探测量结果可靠性好。但物探物探实测采空区范围比收集到资料的范围大，采空区个数更多，其原因为矿山开采历史悠久，资料遗失，收集到采空区资料不全面。

通过物探实测资料与模型试验资料对比，由于受地表不均一性影响较大，实测地表资料电性更为复杂;实测异常空间形态呈团块状而非板状体，其与受采空区的垮塌引起围岩发育裂隙有关;因煤层起伏实测部分采空区异常中心位置所画煤层位置处。

3.3 D-D 剖面地质灾害范围圈定

（1）采空区范围圈定

由于矿方不配合，资料未能收集齐全。采空区范围的确定以政府和纳雍县国土局收集而來的资料和物探电法勘探成果资料综合确定。①收集到的采空区范围为已知采空区范围;②已知采空区范围外，采用物探探测的采空区。同一煤层物探采空区与收集到采空区重叠或相邻，则将相邻采空区合并为同一采空区。

（2）采空区地表移动与变形参数选择

根据收集资料，该区覆岩为中硬类型，煤层倾角10°～17°，平均倾角为14°。参照“压煤开采规程”附表5-3和5-4，选取松散层移动角φ=45°，走向边界角δ0=55°，上山边界角γ0=55°，下山边界角为β0=δ0-0.65α=55°-0.65×14°=46°;开采第一层煤为初次采动外，第二层煤为重复采动：边界角减小2°-7°，区内取5°。则走向边界角δ0=50°，上山边界角γ0=50°，下山边界角β0=41°。

（3）安全深度确认

根据公式：H8=M.K

其中：H8-煤层综合作用厚度计算的顶板安全厚度（m）;M-煤层平均厚度（m）（m1=1.80m、m2= 1.50m、m3=1.50m、m4=1.60m）。

煤层间距：n2=2l.Om、n3=19.Om，n4=45.Om;

经计算得M6、M8、M28、M31煤层综合采动顶板安全深度为708.Om。

通过对开采煤层的安全深度的计算，LH煤矿开采M6、M8、M28、M31煤层，开采标高为1320m，综合采动顶板安全深度为492.Om，矿区村民民房平均地表标高为1580.OOm，垂高为260.OOm，小于煤层的安全深度。

（4）排地下水降落漏斗影响半径

矿区内地下水总体向东侧流向阳长河径流。受采矿、构造裂隙影响，自然状态受到不同程度破坏，地下水在可溶岩和非可溶岩分布区发生水力联系。据调查和收集资料LH煤矿距民房最近的M6煤层最低开采标高为1433.2m，静水位标高以1550m为准，地下水降升高度S=116.8m，含水层厚度H=315.OOm，渗透系数采用K=O.OOlm/d，经计算LH煤矿抽排地下水降落漏斗影响半径R-13l.llm。

根据上述原则，在D-D'剖面上圈定了煤矿采掘范围，煤矿采掘地表移动影响范围，输排水地下水降落漏斗影响范围，如图5。

4.地质灾害成因综合分析

4.1 山上地面开裂和塌陷成因分析调查区内主要的地质灾害为地裂缝和地面塌陷，地裂缝及塌陷均在采空区地表影响范围和抽排地下水影响范围之内。

地裂缝DLl-DL2位于LH煤矿矿界内的南侧二叠系上统龙潭组地层之上，由于LH煤矿的开采，损坏了岩层的完整性和稳定性造成地面开裂从而使地裂缝DLl-DL2向下坡方向滑移。

地面塌陷位于LH煤矿矿界内的中部，地层为二叠系上统龙潭组之上，由于浅部煤层开采形成采空区，煤层顶板失稳下陷，引起表层松散层形成塌陷坑。

4.2村民房屋开裂成因分析

80户受损民房在LH煤矿采空区地表影响范围和抽排地下水影响范围内。地形坡度10°-30°，民房向下为10°～45°地形坡度，民房基础多置于土层之中，并且基础砌置不当、结构较差。民房变形主要以下沉和挤压性开裂为主，裂缝开裂方向基本与LH煤矿开采的巷道平行。房屋开裂时间是在2007年至今，而LH煤矿开采时间是2004年-2014年。

综上，由于受LH煤矿的开采，导致松散层向下坡方向蠕动，是造成区内民房开裂受损的诱因。

5.结论

通过对高密度电阻率法在重叠采空区中的正演模拟和在地灾成因探测采空区中的应用，得到了以下几点结论和认识：

（1）高密度电阻率法在横向上能比较清晰的反映采空区范围的大小，在纵向上分辨率稍差，深部分辨率小于浅部，但通过高密度电阻率法探测多层煤采空区是可行的。

（2）由于受地表不均一性影响较大，高密度电阻率法实测地表资料电性更为复杂，实测采空区异常空间形态呈团块状而非板状体，其与受采空区的垮塌引起围岩发育裂隙有关。

（3）在地质灾害成因分析论证中，采空区范围往往是划定地灾范围的依据，在收集资料不全或有疑问的情况下，高密度电阻率法圈定的采空区范围是可作为必要的参考依据。

参考文献：

[1]江玉乐，雷宛.地球物理数据处理教程[M].地质出版社，2006.

[2]刘国兴.电法勘探原理与方法[M].地质出版社，2005.

[3]张荣立.采矿工程设计手册[M].煤炭工业出版社，2003.

[4]田旭民，田方.地方煤矿实用手册[M].地质出版社，1989.

[5]中华人民共和国煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].煤炭工业出版社，1986.

[6]曹运江，廖坤炎，冯少真，等.贵州谊源煤矿矿山环境影响耦合分[J].煤田地质与勘探，2011，39（3）：33-36.

[7]宋元坤，刘松，宋书伦.贵州省晴隆县某煤矿开采点地质灾害诱因分析[J]西部探矿工程，2016，28（ 2）：141-143.