基于三维高密度电法的矿山采空区探测技术研究

廖 柳

（江西省地质局267大队，江西 九江 332000）

近些年来，各种地下断层灾害源头会造成严重的自然地质断层灾害，如地质断层破裂带、地质断层裂缝、倒塌柱、地下水和尚未充水的地区、煤层气等。这些自然灾害对灾区生态环境以及人民的正常生活产生了极大的影响在研究解决地下的地质勘查问题时，发现一些学者提出使用方便、快捷的高密度高压电法。如果在地下水电灾害没有发生之前，可以有效地利用高密度有线的检测方法，来检测地下水电灾害。同时还能够准确地探测得到具体灾害类型，为后期采取控制措施提供了方便，并且可以减少后期灾害损失，降低了控制灾害的费用和成本，从而获得更高的经济和社会效益。在当今中国，与其他发展中国家一样，高密度的电气系统虽然起步较晚，但它们的应用也很广泛，应用领域范围主要集中于一些传统的建筑工程结构。高密度电法检测到的断面上同时分别布置多个，采用人工向地下输入电流的方式，让地下能够形成稳定的电流场，通过自动化的控制变频器和转换设备对所需要布置的断面进行自动化地观测，并且一次性地记录的一种物探检测方法。在矿产资源勘探方面，高密度电法的一些特点在矿产探测方面具有优势。例如，三维高密度电法对古代岩溶盆地中的层状铝土矿矿床有着很好的探测效果。调查由来已久的勘察探索共分为以下几种：直流的电阻率法、交流的电磁法、地震法、微重力法、放射性法。此次研究采用三维高密度电法技术，通过现场各种设备在特定地质环境下的测量，研究高密度电技术在探测地下灾害源方面的有效性。同时，利用检测结果指导矿区安全生产。

1 基于三维高密度电法的矿山采空区探测技术

1.1 获取矿山采空区特征

高密度电法的原理与常规电阻率法相同，都是基于岩层电学性质的不同，但不同之处在于方法和技术。在高密度电测量的情况下，只需在检测目标上放置一根测量线，将电极等间隔驱动进入测量线，由微机控制电极的组合，测量电阻增加各种深度的测量点。一旦测量完成，他们还可以通过其他安排来形成不同的设备并获得更多的矿山信息。检测后，需要保存测量数据并将其发送到您的计算机以过滤更改[1]。最后通过反演图进一步确定测线垂直剖面的处理和地质信息。电极的结合和微机控制的开发应用，大大提高了电探的智能化程度。标准化采煤是机械化或半机械化采煤，分上下两层开采，有的可达数百米。形成的地下矿区面积大，破坏下伏岩层，形成大面积地面沉降、崩塌和裂缝，造成的破坏是巨大的。一般而言，大规模采煤使用相对较大的矿区和机械采煤，造成很大的破坏。如果地面含有软岩、富水岩或流沙，影响也会更大。另一方面，埋藏地层深度越大，移动和留在变形表面需停留时间就越长。土壤的具体物理和动力学风化性质远远要低于任何岩石，当一处区域被岩石破坏或者变形时，土壤一般上都会随着基岩的风化变形而发生变形。换句话说，基岩和土壤的变化范围是相同的。基岩和砂质土体主要因受影响其倾角的纵向扩散运动程度而不同。实际上，岩体有无数的交汇处、破碎面和断层，这大大降低了基岩的强度，岩石的岩体运动，无论是某种规则运动分布还是随机运动分布，都会直接促进岩体裂缝形成区域的面积扩大并进而增加岩体变形。开采后的厚度降低是导致上方地层岩石被严重破坏的一个根本原因之一。调查结果数据分析表明，随着勘探开采地层厚度的不断增加，洞穴侵蚀勘探开采带和地质裂缝勘探带的开采高度性和线性在增加。在地层同等条件下，开采越厚，破坏严重程度越大，对地层岩石的地质破坏越严重。

1.2 测定大地电阻率

用均匀接地交流电阻的方法进行测量均匀型的接地交流电阻时，除了分别需要各种不同电流源的接地电源外，还分别需要两个供电点的电极距离a、b和两个测量点的电极距离m、n，因此使用电测仪需要确定两个电极间的距离m、n。用来测量两个回路的能源电位差和回路电源端的电流差可用于直接确定能源电阻和功率。对于AB电源，MN之间的电位差由以下等式表示：

公式2中：K表示装置系数或者电极排列系数；L表示能源电阻参数。其实在实际工作中，电极的排列方式是可以改变的，但是一旦确定了电极的排列方式和电极距离，就可以用上面的公式来计算了[2]。开采高度一定的情况下，矿柱宽度越宽，矿柱中值安全系数越高，可靠度越大。矿柱抗拉中值安全系数曲线比抗压中安全系数曲线陡，表明矿柱受拉状态下的破坏特征对矿柱宽度敏感。矿柱抗拉可靠度曲线比抗压可靠度曲线陡，表明矿柱破坏主要是拉破坏。

1.3 基于三维高密度电法识别异常矿区

高密度电法是探测煤矿井下采空区的常用方法，本文提出基于三维高密度电法识别异常矿区，与其他探测矿山采空区的方法相比较，它具有效率更高、探测更精准的优势。高密度电方法的特点是电距离短，数据收集密度高。逆向剖面可以直接、清晰地反映剖面中电异常的形状、规模、发生情况和埋藏深度。结合近期地质科学调查结果，可以根据地质断面上导电性异常的结构形状、规模和异常发生时的情况，更准确地科学推断地质体的内部空间结构形态、地质岩性、裂缝等情况。煤矿不规则开采形成的开采情况较为复杂。一般人工钻孔的范围相对较窄，主要用于道路采矿。有单层和多层呈网状，开采深度较浅，一般在深度范围内。为了探测该类型矿区的范围以及该区域剩余煤的生成情况，本次勘探使用了高密度电气设备是温纳设备和暖应用设备。目的是准确检测矿区的具体位置和区域，并能够比较和研究哪种高密度电方法布置更适合检测不规则开采的煤矿[3]。一般来说，标准采煤方式多为机械或半自动采煤，矿区面积较大，破坏程度较大，地面沉降也较严重。检测到矿井中地下缺陷的位置和范围，并且矿顶已脱离地表。这要求检测深度至少在地表以下。根据实际工作需要，我们将使用三种类型的高密度电气设备进行探索：文氏设备、文尔设备和西贝。三种探测装置中，温纳装置不仅能较好地直接反映地下水的整体形态分布特征和整体分布运动范围，分布运动规律清晰，也比较能直接反映对上层变质岩层的侵蚀破坏。电阻率指数总体下降趋势偏低。高密度高压电温纳装置广泛应用于该类大型煤矿井下探测山羊，效果一般较为理想，有效灾害探测范围广，精度高。

2 应用与分析

2.1 探测区概况

为验证文中方法的优势，实验选取a处矿山为探测区。该地地处铁矿区，地势平坦，调查其气候类型发现，该地区典型的大陆性气候。冬季普遍寒冷漫长，夏季短暂炎热，普遍凉爽，昼夜温差大。矿区为丘陵，最高海拔达到1424.6m。该部分地区年单月平均累计降雨量大约为474毫米，根据历年的天气预报显示，该地区的主要降雨集中在6、7月份。并且年蒸发量为1895.3mm。最大情况是从5月到8月。最大洪水高程约1402米。在附近的广场上，研究区地势由西高东低起伏。综合地质条件、场地建设条件和地质条件，本次物探工作在矿区东北角泰岭湖附近进行了高密度电探测。探测面积约0.7平方公里。高密度电探测全长0.98公里，产生200个物理点。具体探测重点根据探测对象地域具体区分分别为西部异常活动露头稳定区、中部异常稳定活动露头异常稳定区、东部异常活动露头稳定区全部属于采矿区，是东北角尾矿池附近的一个矿场。矿区内部地质地貌构造复杂，褶皱紧密，断层状和带状地质构造层层丛生不断发育。

2.2 测试结果

为了探测所在区域内采空区范围以及影响区氡值，本次勘探采用三维高密度电法装置，与传统的偶极装置的方法共同探测同一区域，目的就是能够准确探测出采空区的具体位置和范围，对比研究哪种方法的探测效果比较好。测试结果如下图1所示。

图1 两种方法探测得到采空区位置

综合分析上图1，1～5号氡值在550～1000之间波动，此情况为采空区引起采空区实际位置在1～5号点，文中方法探测得到的采空区位置在1～5.5号点，而偶级装置方法探测得到的采空区位置在1～7.2号点，分别将两种方法探测结果与实际值对比，得出文中方法探测结果更接近实际值，优于偶极装置方法得到的探测结果。因此，文中基于三维高密度电法的探测技术优于偶级装置的探测技术。

3 结语

研究矿山开采发现在煤层开采后，该区域在地下会形成一个大面积的开挖和采空地带，此地带就是地下地质物系中的一个人为缺陷地带。而这一自然性缺陷的产生，破坏了采空区岩体内原有的自然应力状况，引起了应力的重新分配，在采空区周围易发生局部应力作用影响区。本文应用三维高密度电法，对a矿山展开氡值检测，测试采空区具体位置，得出文中方法测试得到的采空区位置与真实位置相差很小，已接近于极限。今后将针对实际工作的需要，以及矿山地区的复杂情况，进一步改善文中方法，为矿山采空区探测技术提供有效参考。