高密度电法在探测煤矿塌陷区中的应用研究

韩 侃，王伟星，朱兆荣 ，陈贤丰

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 概述

目前采空区探测方法主要有两种：钻探揭露法和地球物理勘探法。钻探揭露法属于单点探测，探测范围仅限于钻孔直径大小的地质情况。大面积勘察宜选用地球物理勘探法和钻探揭露法的综合探勘方法进行探测[1]。

地球物理勘探法在采空区的探测上主要包括地震法、直流电法、地质雷达法、高密度电法和瞬变电磁法。高密度电法测量信息丰富、工作效率高、探测深度适中的特点被广泛应用于中、浅层工程勘探中，尤其广泛应用于矿山塌陷区[2]。据此，文章以兰州市红古区窑街煤矿和平凉市东峡煤矿的塌陷区为例，分析了高密度电法勘探在探测煤矿塌陷区中应用效果。

2 高密度电法工作原理及技术方法

高密度电法属于电阻率法，是以岩、土、空气、水等介质电性差异为基础，人工对研究区施加稳定的电流场，从而研究地下传导电流分布规律的一种物探方法。高密度电阻率法理论与常规电法相同，但所用方法技术不同[3]。高密度电阻率法实际上是常规电阻率法的改进，在测线各个测点上插上电极，每根电极是可以作为供电电极又可以作为测量电极，同时通过控制开关选择使用不同的电极组合，可以实现野外数据采集方便快速。将测量结果传入微机后，可对数据进行处理，添加高程文件，然后反演就可以得到有关研究区电阻率剖面图，高密度电法工作原理示意如图1所示。

图1 高密度电法工作原理示意图

高密度电阻率法通常采用反演的参数视电阻率来计算：

式中：

ρs——视电阻率(Ohm-m)；

△V——观测电位差；

I——供电电流；

K——装置系数，计算公式如下：

其中，AM、AN、BM、BN为电极间距离。

高密度电阻率法应根据不同的勘探对象和地质条件，选择不同的装置组合形式，其中常见的电极装置有温纳四极、施仑贝格、偶极、微分和联合三极等[4]。

联合三极装置探测深度最大，但由于装置的不对称性，剖面异常形态可能发生畸变；施仑贝格装置横向分辨率和探测深度适中[5]。实际施工中，可根据需要选择不同装置进行测量，处理时采用联合反演，提高数据解译精度。

3 数据处理与反演

由于导致塌陷的煤矿采空区范围较小，要求数据精度较高，勘察区山峦起伏，梁峁重叠，沟壑纵横，岩土松散，地形复杂。根据实地情况及以往工作经验，分析影响数据采集精度的主要因素为：地形地貌和接地电阻的影响。

3.1 地形地貌

由于黄土塌陷区多呈大于30℃倾斜陡坡地形，地形切割严重。地形对探测的主要影响集中为：

1）电极位置的准确性；

2）集流效应导致的假异常。

此次采集时首先由测量人员逐点布设，保证电极位置的准确性。消除集流效应导致的假异常方法较多，目前效果较好的为二维反演进行地形校正[6]。本文处理软件采用仪器配套软件RA-2D，先进行原始数据检查，剔除较明显的视电阻率跳点，并检查地下供电电压和供电电流分布图。数据处理完毕，利用最小二乘条件约束的反演算法进行反演[7]。迭代一定次数后，当观测视电阻率结果与计算视电阻率结果满足最小平方收敛时，则输出反演结果。二维高密度电法数据处理流程如图2所示。

图2 高密度电法数据处理流程

3.2 接地电阻

电极接地电阻的大小对于高密度探测数据可靠性影响较大，接地电阻较大，极易产生局部假异常。

针对兰州红古地区地表干燥的条件，在每个电极接地处浇水，保持电极接地良好。此外，对仪器进行有效绝缘，防止仪器漏电对测量准确度和精度的影响。

以上各种措施联合进行，可以较好地保证此次测量数据及资料解译的准确性。

4 现场实例

4.1 红古区窑街煤矿塌陷区

本次数据采集在红古区窑街煤矿塌陷区，该地区地形呈狭长的“山”字型，北面依山，山峦起伏，梁峁重叠，沟壑纵横，岩土松散，地形复杂，红古区是滑坡、灾害较为发育的地区之一[5]。区内出露岩性主要为砂岩、泥岩，其电阻率较低，仅为 n×10(Ωm)，地裂缝、采空区等电阻率值为 100～1000(Ωm)，此为此次地球物理勘察的前提。本次数据采集所采用工作模式是二维剖面法，电极距为10m，排列采用温纳装置测量，测线总长度为800m。

高密度电法反演推断解释如图3所示，具体推断解释如下：在图中0m至320m之间出现中高阻部分（色标为橘红色区域）为黄黏土层反映，电阻率值为70～100Ω之间。图中480～800m之间浅表层至十几米埋深，呈条带状区域高电阻率区域，电阻率值100Ω以上推断解释为地表层裂缝、塌陷区反映，与工区去现场情况相符。在图中左侧160～320m之间出现中高阻部分（色标为浅绿至深绿色区域）为胶结松散的砾石层反映，电阻率值为20～50Ω之间。图中深蓝色之浅蓝色区域为泥岩、砂泥岩地层反映，电阻率值较低，一般为10Ω左右，图中右下侧高阻区域推断解释为砂岩、砂砾岩地层反映。

区内窑街煤矿是历史采矿和计划经济时期建立的老矿业基地[8]，原来的乱采乱挖、无序开采及后来的大规模开采，使矿区地质生态环境破坏严重，引发了一系列严重的地质环境问题，本次调查工作的重点是窑街煤电有限责任公司塌陷区，确定了多处地面塌陷灾害。地面塌陷规模较大的有3处，规模较小的有4处，稳定性较差的有5处。调查时矿区由于采矿等原因陷坑和裂缝仍在不断发展，变形开裂现象仍在持续。

图3 高密度电法反演图

4.2 东峡煤矿塌陷区

东峡煤矿位于六盘山山脉关山东麓陕甘宁盆地之西南缘，属六盘山石质山带与陕甘宁黄土高原的过渡带，东峡煤矿地区地表潮湿、杂草丛生、地表地形起伏较大的条件，在接地条件不好的情况下，采用在每个电极接地处在原状土上，保持电极接地良好。另外，对仪器实行有效的绝缘措施，以防仪器漏电影响测量精度。通过以上的各种措施，较好地保证了此次勘查的数据精度。

本次测量所采用的工作模式是二维剖面法，东峡煤矿塌陷区地形高程变化复杂，高密度电法各种装置中只有温纳装置受地形影响较小，故采用温纳装置进行数据采集，电极距为10m，1号测线长度为800m，2号测线长度为1280m，测线总长度为2080m。

高密度电法反演推断解释如图4、图5所示。测线1、2均自西向东布置，具体推断解释如下：

图4 测线1高密度电法反演图

图5 测线2高密度电法反演图

在图4中（测线 1）左侧 0～640m之间：浅表层由地表至十数米深度出现条带状高阻部分为地表分布塌陷、裂缝反映，200m处、510m处出现的高电阻率团为底部胶结松散的砂砾层反映，图中深蓝色至浅蓝色区域为第三系泥岩、砂泥岩地层反映，电阻率值较低，一般为10Ω左右。

图5中（测线2）可看出深蓝色至浅蓝色区域为泥岩、砂泥岩地层反映，电阻率值为10Ω左右。640～960m之间浅绿色至深绿色区域层为胶结密实砂砾层、砂石岩反映，电阻率值为30～80Ω，在1040～1280m之间橘红色区域层高电阻率值，电阻率值大于200Ω，推断解释为底部砂岩反映，地表有出露。

5 结语

1）在黄土塌陷区进行高密度数据采集会受到高倾角地形的影响，测线只能沿斜坡阶梯式铺设，地形高差会导致电流场分布不均，对浅部信号影响较大，因而必须详细记录地形高程变化，实施精确地形校正技术，尽量减少地形影响。

2）通过对两处塌陷区高密度电法资料和地质资料的综合分析，并结合测区内已有的采煤探井取芯结果，基本查明了探测区内的塌陷范围、地层结构和裂缝发育情况。

3）通过在黄土地区进行高密度探测，分析了黄土塌陷区介质电阻率分布特征，通过数据处理解译，得出了测区的地层结构和基岩埋深数据。这为以后的地质灾害调查工作提供了新的技术手段和工作思路。