高密度电阻率法在探测采空区中的应用研究

范育典

（中国地质大学（北京），北京 100000）

0 引言

煤炭资源的大量开发、利用带来了极大的经济收益和社会价值，而过量开采煤炭也造成了大量的地下采空区，出现地表塌陷的现象，使地面建筑、交通设施、生活设施和土地受到损坏。矿区毁损情况严重，威胁矿区人民群众的日常生活和生产，影响我国经济的发展和社会稳定。因此，掌握采空区的详细情况，预防滑坡、突水以及冒落等灾害性地质情况成为日益突出的问题[1]。

1 工程概况

东升庙铅锌矿坐落于内蒙古自治区中西部地区的乌拉德后旗，属于典型的大陆性干旱气候区。因此，矿山岩石外露，长期干燥多雨，植被稀疏。矿井海拔高度大约为1 050 m～1 183 m，山脊险峻。勘探条件类别为Ⅱ-4 型，煤层深度为1 183 m～700 m，开采面积为1.387 7 km2。

2 高密度电阻率法实验

2.1 数据采集

初设线路时，测线方向与矿区勘探线平行（近南－北向，位于20-22 勘探线），起始点在北端，终点在南端。选择使用温纳四极模式，电极总数为120 道，电极间隔10 m，测量线总长1 140 m，最高的间隔指数值为32。对2 025 个测点的数据信息进行合理安排和测量，由数据传输系统存储到数据传输系统，以完成数据收集工作。

2.2 数据处理

2.2.1 数据处理过程

要查看原始数据，就要以txt 的格式储存dat 格式的数据信息，如图1 所示。对初始数据的展开解读见表1。

表1 初始数据解释

图1 储存的dat 格式统计数据

2.2.2 数据转化过程

转化原始数据，方便高密度软件能够辨识转化的数据信息，转化过程如图2 所示。

图2 数据转换

2.2.3 导入数据

开启GeigiaRimage 软件，将转化数据信息导入软件并设定主要参数，如图3 所示。

图3 数据导入及参数设置

2.2.4 原始图像和曲线图

在未进行任何处理的图件中，横坐标表示测线长为0 m～1 140 m，纵坐标表示深度为0 m～300 m，不同的色彩反映不同的电阻。要想知道每个测点的相对位置，还可以将其转换为相应的图形。

2.2.5 滤波处理

在数据采集环节中，由于受各类外界影响的干扰，原始记录会掺进噪声，因此必须要对原始图像进行滤波、预处理。软件包括3 种处理方式：中值滤波、Alpha 滤波和均值滤波。中值滤波是数字图像处理中典型的平滑噪声方式，适用于数字图像处理中的外缘信息，因此适合处理噪声[2]。

2.2.6 地形矫正

该试验是在波澜起伏的山坡上开展的，因此每个电极都需要利用GPS 统计各方面的数据信息并导入GeigiaRimage软件，以获取高程数据并修正地形。

在修正地形后，地形从最初的平地变成了跌宕起伏的山脉。修正后的纵坐标由0 m～300 m 变为887 m～1 227 m。

2.2.7 反演处理

地形修正后进行反演处理，可获取直观的反演图像。

2.3 不同滤波方法的数据处理方式

当采用高密度电法观测地质环境时，需要注意不同的地质环境会有不同水平的干扰。勘探前对预处理数据进行过滤，可以利用过滤去掉不可用的数据点。滤波的方式较多，每种方式都有比较特定的噪声数据，应根据具体情况选取有优势的滤波方式。

2.4 信息解读

2.4.1 电阻率断面图

结合电阻率断面图分布情况可以发现图中存在许多色彩不一样的区域，这些不同色彩区域象征不同的电阻率。色差减少代表电阻在平缓变化（没有异常），因此没有采空区。当地电图视电阻率突然出现显著变化、电阻率出现明显异常且与附近地电信息显著不同时，可断定其为采空区。

根据电阻率断面图可知，该区域存在1 个闭合地理区域，其电阻率明显高于周边的电阻率，因此可以推断该闭合地理区域为采空区。

2.4.2 4种滤波方法分析

选用Alpha 滤波、均值滤波、中值滤波以及综合滤波等滤波方式。综合滤波器在很大程度上对高阻区有增益作用，还可以知道高阻区的电阻增多，几种方法的信息处理结果对电阻率断面图干扰较小，可以忽略不计。

2.4.3 电阻率断面图与采空区赋存状态图对比

图4 为采空区赋存状态，①处所示线条为测线地理位置，②处所示线条为1 100 m 的采空区，③处所示线条为1 020 m的采空区。从电阻率分布图可以看出，该区域存在1 个标高为1 050 m～1 150 m、宽为120 m 的采空区。对采空区产状图的所在位置进行对比可知，2 个采空区的形状、规模和相对位置相符。因此，该试验很好地证实了采空区的现实情况。

图4 采空区赋存状况图

3 地震法及瞬变电磁法试验

3.1 地震法

3.1.1 数据收集

农业经济管理是一项系统性的工程，需要一支强有力的农业经济管理队伍作为支撑。因此，必须大力开展农业经济管理队伍建设，提高农业经济管理相关人员的综合素质，提高其胜任能力。应对农业经济管理相关人员实施定期教育和培训，深化其对农业经济管理的认识，强化其工作责任感和使命感，提升其政治素养，优化其创新意识及能力，继而以端正的态度开展高水准的农业经济管理工作。

该试验选用单边放炮、4 次覆盖系统开展测定，检波点距为5 m，测量范畴为240 m。测试线方位平行于24 号勘探线，与24 号勘探线相隔20 m，起始点（小号点）位于南边，终点位于北边。BZK6/24 距离测试线130 m。

3.1.2 数据整理

根据之前现场试验收集的数据可以获得地震法的原始记录，接下来对初始数据资料进行置道头、静校准、叠前噪声压制、振幅补偿、叠前反褶积、抽CMP 道集、速率分析、动校准以及初相互叠加所剩静校准，如果所剩静校准结果显示超过0.5 ms，那么从速率分析的那一步再次相互叠加。如果低于0.5 ms，则对初始数据资料进行DMO 或叠前时间偏位、叠后反褶积、随机性噪声衰减系数、偏位、时间滤波以及增益值，通过这种加工处理可以获得相应的时间剖视图。

3.1.3 试验结果

该试验最先采用地震法仪器对原始记录数据进行采集，随后对原始记录进行一系列加工处理，从而获得时间剖视图，再根据反射波同向性的转变来推测采空区的具体位置。将时间剖视图中采空区的具体位置与采空区赋存情况图中采空区的具体位置进行比较可知，该位置为金属矿采空区。但是，同时也发现时间剖视图中产生了大批量杂乱无章的面波，在一定程度上会对试验的准确性造成干扰。推测其根本原因如下：1） 基本参数问题。该试验炮检距为5 m，为了更好地增强试验的准确性，布置的偏位间隔较小，会干扰检测深度，而该试验采空区的具体位置较深，检测的深度无法到达具体位置，让下部产生了大批量不规律的波形。2） 从实践经验上来看，地震法比较适宜地质构造明晰的沉积岩，该试验地区以变质岩和岩浆岩为主，会给检测增加一定难度。

3.2 瞬变电磁法

3.2.1 数据收集

瞬变电磁测定选用重叠回线和中心回线方式，测试线总长度为120 m，测点间隔为20 m。测试线方位平行于24 号勘探线并与24 号勘探线重叠，为了使探测工作更加便利，起始点（小号点）位于南边，终点（大号点）位于北边。

3.2.2 数据整理

对瞬变电磁数据资料进行加工处理的步骤如下：1） 去除遭受外界影响的失真点。2） 采用数据预处理系统更详细地对二次电位进行插值，同时，根据插值数据资料进行分层分析并计算视电阻率值，利用计算机制作定性分析图件视电阻率拟断面图。3） 采用差值法对低阻屏蔽进行删除，并对某些受干扰点进行过滤，从而降低干扰。4） 形成电法解释所需的视电阻率断面图。

3.2.3 试验结果

该试验选用瞬变电磁方式对采空区及周边地质环境的具体情况进行检测。首先，在试验区采用瞬变电磁法装置采集数据。其次，采用数据预处理系统对原始记录进行加工处理。最后，制作电阻率断面图并进行定性分析、定量分析，明确了需要寻找的采空区的具体位置，该结果与采空区赋存情况图描述的采空区的具体位置几乎一致，因此，可以得出该试验到达了预计的目的。

该试验选用了2 种不一样的方式对采空区进行检测，分别是中心回线法和重叠回线法。结果显示，中心回线法的采空区具体位置比重叠回线法的采空区具体位置更偏北，对试验进行复盘总结时发现，中心回线的接收器位置比正确位置偏北，因此，让接下来的结果也向北偏位。正确操作时，2种方式检测采空区的位置基本相同，进而也互相证实了该方式在检测金属矿采空区的可行性。

该试验测试线具体位置附近有高压电线，很有可能会对试验造成干扰。因此，在整理数据时，要加强滤波加工处理，确保数据精准、可信。

4 结语

该文根据运用高密度电阻率法的实例对采集到的数据进行预处理，以形成反演图，便于工作人员后续深入剖析。在实验矿区采空区的具体位置和内部结构状况均不清楚的情况下，根据高密度电测发现了许多较为明显的高、低电阻异常情况。研究成果表明，高阻为采空区，低阻为富水充填状态。结合与采空区产状图的对比可以判定该矿区为金属矿区。因此，高密度电法探测具备对金属矿山和采空区探测分辨率较高的优越性，探测采空区的实际效果更好。

在内蒙古东升庙矿区使用电法检测获得了一些成果：1）该试验研究表明，高密度电法在检测金属矿地质环境条件及采空区方面有纵向分层数据采集分辨率高、对采空区敏感等优势，将高密度电法与瞬变电磁法、地震法进行比较可知，在采空区检测中可以获得更好的实际效果。2） 对测区测线数据资料进行分析，使用了大量的地球物理信息，反演加工处理可以明确体现采空区的详细分布情况，合理利用试验数据，进一步保证成果更有效、更可信。