高密度电法在煤矿采空区中的应用

贾荣

（山西华冶勘测工程技术有限公司，山西 太原 030000）

一、高密度电法概述

（一）基本勘探原理

1.高密度电法应用原理

所谓的高密度电法就是指在一定的空间范围内，在工作电极上放置大量的与勘探目标相关的高频电场，从而实现对探测点的高精度测量。在实际的应用过程中，我们通常使用的是高分辨率的探地雷达以及一些专门的用低频电流来进行观测的方法来对地下的地质情况做出相应的了解和掌握。高密度电法主要是通过将不同的电极所接收到的电磁波转换为电能，并将这些信号传输到地面的一种技术。

2.高密度电法的数学模型

（1）电法的基本模型。在利用高密度电法勘探的过程中，首先要建立一个由多个不同电极组成的三维空间剖面，再根据各段的电阻率来确定各个极位的相对移动量，最后将这些数据用数学关系表示出来，这样就可以得到所需的剖面图。

（2）观测点的参数值。在实际工作中，我们通常会用到很多的测量点，而每个点的参数值也是不一样的；因此，要想对每一条导线上的每条导线及各段的导线及各段的导线及所对应的极位进行准确的测定就变得非常的困难了。所以为了能够更加精确地反映地下的情况以及研究区域的地质条件，就要对每一条剖面上的每条剖面上的所有极位的变化量求出其相应的修正系数，然后将其与实测的资料结合起来，从而得出结论。

3.影响高密度电法开采的因素

（1）电极距离。在进行高程测量时，我们一般会选择不同的电极距，来对地电剖面的电流分布情况做一定的了解和掌握。但是由于高密度电法的工作环境比较特殊，它是一种非接触式的高程勘测方法，所以它的观测结果不具有较好的可靠性和准确性。

（2）导线及基岩的成分。在实际的勘探中，为了保证数据的准确可靠，通常会采用一些导线及基岩的组分以及它们的电阻率，从而来确定所测区域的地质状况。如果导线及基岩的组成是均匀的或者是微酸性的时候就需要考虑到导线及基体的氧化物等的含量问题。同时也要注意到，在使用过程中，要避免出现漏检、漏测的现象发生。

（二）方法优势体现

这种方式的优点在于能够有效地提高信息的获取效率，并且可以根据所得到的数据分析出其异常的位置和大小，进而采取针对性的措施来解决出现的问题；同时，还能对其周围的环境条件作出较为准确的反应；此外，还能为工作人员提供更加全面的勘测资料，帮助他们更好的完成开采任务。目前，我国大部分的煤矿都采用了高密度电法，但是由于煤矿的生产工艺复杂，所以在实施的时候往往会遇到很多的困难与阻碍。

（三）测量与数据处理

1.高密度电法在采空区的应用效果参数及数据

（1）数据精度：在实际的勘探过程中，我们需要采集大量的原始数据，这些数据的准确性直接影响到后期的分析和评价。因此在进行高密度电法勘探的时候必须保证所获取的资料准确无误，并且要确保所测的数据能够满足要求。

（2）观测时间：在测量高分辨率的情况下，我们可以通过对电极的电流值来判断该点的空间位置，从而确定该点的三维坐标。

（3）视距：根据现场实测的结果来选择合适的测试仪器，并对其的视距范围作出合理的设定；同时，还应该考虑到不同的地质条件，如岩石的性质、含水量等，以便做出正确的解释；最后，还应注意的是，由于高密度电法的应用是一种非接触性的野外勘测方法，所以其最终的应用效果会受到环境的干扰而产生一定的误差甚至失败。

2.高密度电法的数据处理

高密度电法在获得完整的测量线或测量网数据后，对收集到的数据进行预处理，转换数据格式后，去除畸形数据，绘制反演、视觉抵抗率截面图，最后结合现有的地质资料对以上进行说明，经过反复解释，可以得到地下一定深度的地质异常分布。

二、煤矿采空区处理

（一）采空区的形成

当煤炭资源的储量在一定的范围内，当开采量超过了可利用的限度时，就会产生采空区，这是一种特殊的地质现象，它是由于矿井的空间布局不合理，或者是矿井的地下结构不完善造成的。同时还有人为的破坏和管理不当，使得采场的安全隐患增加。再有在采空区内的一些煤层的厚度不够，从而使其塌陷，这也是煤矿的采空区产生的原因之一。最后是煤矿的开采方式不合理，没有严格地进行采矿的设计与规划，对矿山的地质状况了解地不够全面，不能合理的安排人员的工作时间，造成了严重的后果。

（二）煤矿采空区危害

煤矿采区威海煤炭资源的开采留下了大量的采区。一方面，采煤区地面塌陷，容易造成山体滑坡等重大自然灾害，采煤破坏了开采层的地质构造，开采层受到爆破力、推力等外力作用的情况下，地层裂缝，易发生龟裂和沉降，如2010 年陕西省榆林市新木县发生的李氏3.0 级地震就是煤矿采区坍塌引起的。同时，煤矿采区塌陷也容易造成山体滑坡等自然灾害的发生，另一方面，采掘地破坏了当地的土地资源，煤矿采掘地不仅占用了大量的土地资源，采掘完毕的土地也遭到了严重破坏，土地生产力下降，甚至失去了生产能力，给农民的生存和社会的和谐构成带来了很大的威胁。

（三）采空区勘察和评价

一般来说，采区的勘察和评价工作分为三个阶段，即预备作业阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。

1.预备工作阶段。这一阶段的调查手段在调查开始时，首先要进行广泛的调查，收集足够的矿井资料。如采掘工程的平面图、井上的对比度、钻孔柱详图等，对一些比较大型的矿井，收集沉降管测量资料，例如相应的采煤方法、采掘年限、掌握地表裂缝方向和宽度，以及塌陷坑的大小和范围等。利用采空区崩塌、冒落、移动引起的岩体错动、岩堆、崩塌等特征，可以初步确定采空区范围，进行一定的估算，评估采空区对拟建筑物的影响或公路危险。

2.初步设计阶段分析。这一阶段的主要工作是补充上一阶段收集的矿井地质资料，通过一定的挖掘方法，调查煤矿的空余分布范围和长度，并进行估算。

3.施工图设计阶段的分析。这个阶段研究了煤矿采空区三个波段的高度和特征，确定了相应的残余沉降量，并计算了采空区的空腔尺寸。

三、高密度电法在煤矿采空区中的应用

（一）电法勘探电极排列

按照电极电位分布图，将电法勘探线布置在工作面的上方,然后将探测线放置在工作面的下方,这样做的目的是为了保证观测的准确性和稳定性。当用电法勘探线位于采空区的中心时，由于采煤层的电阻率会随着距离的增加而增大，因此我们需要把测量到的数据进行整理，以便于分析。当用测距仪测出的点位与实际的点位之间的差值小于0.1 时，则表明该点的存在性较好，此时可以使用电法勘探方法来确定其位置。如果测得的值大于或等于0.5,则说明该点的存在性较好，这时就应该利用高精度的全站仪来定位。若要找到某个特定的矿井，那么首先要找准矿井的具体位置，才能准确地寻找该矿井的主要控制因素。

（二）施工装置以及测线布置

1.电法勘探使用的仪器

在进行勘探工作中，我们一般使用的仪器有：示踪仪、探地雷达、测温仪等。（1）示踪仪：示踪仪的作用就是用一个或多个传感器对观测到的信息采集，然后根据所得到的数据计算出所需要的参数值，再将所得的结果与实际的值作对比，最后得出结论。它具有较高的可靠性和实用性，并且能够提供较高的准确度。但是因为其价格相对昂贵，所以在我国的煤矿中很少见。（2）探地雷达：该装置的主要目的在于对采空区的各种地形地貌的了解和研究，通过分析这些资料，来确定其分布范围，并为后期的开采决策提出可靠的依据；同时还能检测井下的导纳平衡，为采矿的顺利开展打下基础。

2.电法勘探测线布置

探测区东西长800 米，南北宽度400 米，探区内由南向北布置东西方向9 条测量线，编号1 线至9 线，线间距50 米，由西往东布置南北方向17 条测量线，编号10 线至26 线，测量线间距50 米。在各测线上布置一个排列，在每个排列上布置120 个电极，观测120 度，电极间距为10m。使用全纳装置，工作电压为120V。

（三）数据处理、解释及成果说明

1.电法勘探数据处理及反演

目前，我国在电法勘探数据的处理上主要有两种方式：一种是将采集到的数据进行预处理，然后利用计算机软件对所获得的数据进行分析和计算，最后将所得结果与实际的数据相比较，从而得到准确的结论；另一种方法是采用反演的技术来对所获取的信息加以处理，通过这种方法可以有效地提高工作效率，并且还能减少工作人员的劳动量，降低成本。

2.数据解释

对所得出的数据进行以下解释：

定性解释：根据地球物理异常的特征，定性判断引起异常的地质原因，大致判断异常的形状、大小、产状和埋藏深度等。

定量分析：计算地球物理异常定量的几何参数和物理参数

地球物理解释：根据地球物理异常，应用数学物理方法，推算出状元体物性参数、埋藏深度、位置、形状、大小、山上等要素。

地质解释：结合地质和其他资料，重点对地球物理异常及其状元体进行地质解释。

正演解释：已知地质体的形状、深度和围绕岩石的物性参数，求地球物理场的断面曲线或分布。

反演解释：已知地球物理曲线求地质体的形状、深度和岩石物性。

四、应用效果评价

高密度电法对地下地电构造具有较高的分辨率，是研究浅层地质构造的有效方法，随着深部找矿等深部探测工作的巨大需求，高性能、大探测深度、多变量测量和一台仪器是高密度电法仪器未来发展的主要方向，在山区用高密度电法探测采区时，应避免地形变化较大的地区，选择在地形平坦的地方布置测量线，如地形在这个起伏地区进行高密度电法测试时，建议在满足探测程度的条件下选择较大的电极距离。高密度电法是浅层采区探测的有效探测方法，已被广泛应用，但表层低电阻以上的屏蔽作用，以上规模和形态难以准确判断等局限性，建议在探测条件复杂的地区，采用多种侦察方式进行综合探测和解释，以提高探测的准确性。

结论

本次研究主要利用了电阻率法和勘探深度反演方法，在大量的文献阅读和现场实测的基础上，通过理论推导，采用了高密度电法的原理及工作参数，并结合实际数据资料进行分析计算，最终得到以下结论：（1）运用该方法，可以对采空区的地质条件有一个较为全面的了解；（2）用该方法，能够对采空区的空间分布情况有一定的掌握；（3）用该方法，能为矿井的生产建设提供可靠的依据；（4)使用高密度电法，不仅能提高效率，还可降低成本，为矿井的安全运营创造有利的前提作用。但是由于野外的观测环境比较差，因此要在实践中不断地完善，才能使结果更精确。随着时间的推移以及技术的进步发展，相信未来的水平会更加成熟。总之，我们应该积极的应用高密度电法，使其更好地服务于煤矿的开采事业。同时也要加强工作人员的培训力度，增强他们的专业技能，以便于后期的维护保养。