高密度电阻率法在老煤窑采空区勘探中的应用

王守兴 祁尧刚 欧立鹏

摘 要：为了探明采空区位置，消除采空区对后期生态环境修复的影响，结合地质条件、地表可见塌陷坑、地球物理特性和高密度电阻率法的优势，在调查区开展了对采空区的勘探工作。通过认真分析采集的数据和反复推断，最终查明调查区内的采空区分布，同时也验证了高密度电阻率法在老煤窑采空区勘探中的可行性和适用性。

关键词：高密度电阻率法;采空区;煤矿

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-027-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.013

黄河作为中华民族的母亲河，孕育了世代中华儿女，保护黄河流域，促进黄河的高质量发展，是事关中华民族伟大复兴的千年大计。随着国家相关政策的逐步落实，黄河流域矿集区整治和治理的脚步逐渐加快。在此过程中，一些未探明的采空区为矿山环境后期治理恢复工作带来了一定的隐患，而高密度电阻率法在采空区探明工作中，具有成本低、效率高、快捷、直观的特点，能更真实地反映地表以下地层结构特征，同时也是采空区探查中运用最广泛的方法之一。

1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是电法测量中的一种，其采用了多电极、高密度一次布极，并实现了跑极和数据采集的自动化，因而比常规的电阻率法具有更多优点：

在同一剖面上，通过电极变换，可以获得断面不同深度电阻率等值线图，且随着电极的转换测量深度逐渐增加，可以实现现场实时资料处理和成图解译。常用的装置形式主要有温纳装置、偶极装置和微分装置，其中温纳装置（即对称四极装置）的横、纵向分辨率相比偶极装置和微分装置较高，本次勘测工作也主要运用了该装置[1-2]。

2 地质区域背景

调查区地层划属华北—柴达木地层大区，卫宁北山—香山晚古生代前陆—上叠盆地，卫宁北山褶皱带。卫宁北山地区是一个多构造复合区，区域构造主体行迹以东西向为主，西部以东西向或近东西向为主，东部以北西向、南北向为主。

羊虎沟组（C2y）：其为该区主要含矿地层，岩性主要为石英砂岩、泥质粉砂岩（或粉砂质泥岩）、灰黑色页岩夹灰岩和煤线。岩层发育交错层理、板状和槽状交错层理、小型斜层理，属浅海-海岸沉积[3-4]，第四系高阻特性的风积层大范围分布于该区域地表。

3 地球物理特征

第四系呈现中—高阻性，砂岩呈现高阻性，炭质页岩及煤层呈现中低阻性，采空区及其冒落带含泥水较大，呈现中高阻背景值中的低阻特征。采空区塌陷后由于上部岩层稳定性遭破坏，形成冒落带或小规模断裂带，采空区与非采空区在电阻率上的差异由此显现。采空区内未充水，其电阻率为高阻特征;采空区内充水，其电阻率为低电阻特征;同时，采空区内散落的淤泥等潮湿填充物也会引起低电阻率[5]。

如表1所示，从调查区电性参数可得，区内岩性电阻率测定值：第四系一般为16Ω·m～61Ω·m;炭质页岩及煤1.5Ω·m～10Ω·m;粉砂巖38Ω·m～74Ω·m;石英砂岩23Ω·m～130Ω·m;采空区<1Ω·m。

4 野外数据采集

本次高密度电阻率法勘查，采用深圳赛赢地脉公司生产的GD-10型高密度电阻率法测量系统。调查区共布设高密度电阻率法测量剖面7条，剖面布设方位30°。其中，5m点间距剖面2条;10m点间距剖面5条;平均线间距为350m。数据采集参数：电极总数120根，采集24层，采集装置为温纳排列，最大供电电压240V，最大供电电流2A。岩层走向近东西，倾角40°～60°之间，地表可见串珠状塌陷坑。

5 数据处理及成果解释

先用GD-10型仪器将所采集的数据导入到计算机中，再用Geogiga RImager软件对数据进行平滑预处理并进行反演。

测线WTL05发现：

上部埋深0～20m，电阻率大于16Ω·m，解释推断为第四系覆盖层粉砂粘土中含少量碎石块;部分电阻率大于110Ω·m的高阻，解释推断为高地势基岩裸露;局部电阻率小于10Ω·m的低阻，解释推断为炭质页岩。

中部电阻率小于5Ω·m，明显为中低阻区，该区域为炭质页岩及煤层;其中，在电极19、47、81号电极对应的正下方为低电阻率区，其电阻率小于1Ω·m，相对应的埋深为75m、90m、100m，推断为采空区位置（充水、泥浆）。

在26～35号电极和54～70号电极所对应下方为高电阻率区，且高阻体均有向北倾的趋势，与地表可见岩层产状相符，解释推断为砂岩夹粉砂岩。

测线WTL01发现：

上部埋深0～10m，电阻率大于16Ω·m，解释推断为第四系覆盖层粉砂粘土中含少量碎石块;部分电阻率大于80Ω·m的高阻，解释推断为高地势基岩裸露;局部电阻率小于10Ω·m的低阻，解释推断为含炭质页岩。

中部电阻率小于10Ω·m，明显为中低阻区，该区域为炭质页岩及煤层;其中，在电极51、85号电极对应的正下方为低电阻率区，其电阻率小于1Ω·m，相对应的埋深为85m、95m;在地表51～53号电极之间可见有塌陷坑，结合地表现象解释推断该低阻区为采空区位置。

将物探断面图中电阻率小于1Ω·m的低阻区解释为采空区的依据：首先，调查区内煤矿均为停产多年的老窑，通过走访和资料查阅得知，在煤矿正常生产期间有小规模涌水现象;其次，地表可见有串珠状塌陷坑，且在物探反演断面图中的低阻区与地表塌陷坑位置相对应。

通过对7条剖面的分析和采空区特征的总结，将7条剖面做成三维断面图，通过图1所示的三维断面可以看出，调查区内的采空区分布在南北两侧且在东西向有较好的延伸。通过钻孔验证，高密度电阻率法推断的采空区位置与钻孔验证的位置相符。

6 结语

通过本次勘察工作，可以得到以下结论：

经过对7条剖面的认真分析、反复解释，结合已知的地质资料确认了调查区内采空区的位置及分布。采空区具有东西向较好的延伸性，西侧埋深85m～95m，东侧埋深110m～120m;就其形态而言，东西两侧较宽，中部较窄，呈“葫芦”形分布。

高密度电阻率法在老窑采空区勘探中是可行和适用的。

参考文献

[1] 李金铭.地电场与电法勘探[M].北京：地质出版社，2005.

[2] 韩锡勤，程邈，林松.高密度电法在某防空洞勘探中的应用[J].大地测量与地球动力学，2010，30（4）：165-166.

[3] 王成，程建华，孟方，等.中国区域地质志·宁夏志[M].北京：地质出版社，2017.

[4] 李天斌.宁夏南部弧形推覆构造带特征及演化[J].地质力学学报，1999，5（3）：22-27.

[5] 张凤祥，张弘，冯磊，等.高密度电阻率法在某采空区勘探中的应用[J].勘察科学技术，2019，6（4）：52-53.