高密度电法在隐伏采空区识别分析中的应用*

刘书瑶，张耀平,，刘 波，许传金，王 瑞

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000；3.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000)

0 引言

电法勘探是地球物理勘探方法中的一个重要分支，因具有高效、高适用性和低成本的优点而被广泛应用于工程地质勘查、水文地质勘查，环境监测以及矿产、煤田、石油、天然气地质构造勘查等，其主要包括电阻率法、充电法、自然电场法、激发极化法和电磁感应法[1]。与其他电法相比，电阻率法适用于研究各种非均匀地电断面，这是由于电阻率法的实质是根据地下岩石、矿石的导电性差异，通过人工施加稳定电流场研究其分布规律以达到勘查目的，即电阻率法应用的前提是勘查异常体与围岩存在明显的电阻率差异。岩性的不均匀会造成稳定电流场的空间分布变化，表现为高阻体排斥电流线、低阻体吸引电流线。视电阻率作为电阻率法的一个基本参数，能够综合反映电场作用范围内的电性不均匀体以及地形起伏情况，因此可通过研究视电阻率的变化规律探究地下岩层的不均匀性，从而达到对均质性较差岩层勘查的目的[2]。

高密度电法作为电阻率法的一个应用分支，反演结果为二维视电阻率剖面，在采空区探测中，能够通过其反映出的基岩构造与界限，查明电性与周围岩石存在差异的构造裂隙的发育状况，以此确定采空区规模。同时，高密度电法兼有电剖面法和电测深法的功能，具有点间距密集、高密度数据采集、能够直观体现岩体起伏状态等优点，因此可将其作为采空区、岩溶、断裂构造探测的有效方法[3]。

以仙人桥铜矿为研究对象，其采空区由老矿山开采形成，因资料缺失，采空区具体位置无法确定。本文针对该矿隐伏采空区探测，阐述高密度电法工作原理、野外工作方法和数据处理，采用高密度电法识别矿段采空区的分布情况，寻找矿段隐伏的断裂、破碎带、裂隙、导水通道等，提出灾害预警建议，指导矿山安全生产，并分析了高密度电法在隐伏采空区勘测中的实际效果，可为隐伏采空区识别研究提供参考。

1 工程地质概况及地球物理特征

仙人桥铜矿勘查区位于丘陵平原地区，其矿体为隐伏矿体，埋深+100～-300 m。隐伏矿体主要赋存于矽卡岩中，含矿矽卡岩顶板为五通组石英砂岩和角砾岩，底板为石英闪长玢岩。

高密度电法勘探的地球物理条件是由于不同介质的电阻率特征而导致电性存在差异[4]。一般来说，采空区或空洞由于岩石连续性和整体性被破坏，对电流产生排斥作用，从而与四周完整的岩层相比呈现高电阻率特征[5]；当采空区含水时呈现低电阻率特征，会与周围岩层的高电阻率形成比较明显的电阻率差异[6]。裂隙及断层引起的破碎亦是如此。在采空区塌陷或回填处，填充物通常由于其较围岩结构更为松散、易富集水而呈现出相对较低的电阻率特征[7]。当勘查区无采空区、质地均匀时，视电阻率分布呈均匀、连续水平层状特征[8]。电阻率是岩土体本身的物理性质与其所在环境造成的外界因素共同作用产生的结果[9]，主要取决于岩性、孔隙率、含水率[10]。断裂、破碎或孔隙率高的风化层等部位通常易于富集水，含水地质体的电阻率远低于四周不含水围岩的电阻率；风化、破碎或渗水性好的岩石电阻率低于致密岩石。当不同岩石的含水率相同时，由于其中水的矿化度存在差异，也会导致电阻率出现较大差别。

根据研究矿区的电性标本采集工作成果，得到岩石的电阻率物性参数(见表1)。

表1 电阻率物性参数

分析表1及地质、钻孔资料可知，该地区的低阻体为矿体、含水断裂、含水破碎带、含水采空区等，高阻体为清空的采空区(即不含水和矿石)、角岩等。

2 高密度电法工作原理及方法

2.1 高密度电法工作原理

高密度电法也称电阻率层析成像[11]，在矿业工程中多用于浅部工程勘探，是在常规电阻率法的基础上优化而来的，其主要原理和常规的电阻率法基本一致。高密度电法基于地下介质之间导电性的差异，电流I由供电电极传输至地下，测得测量电极之间的电位差ΔU，根据视电阻率ρs公式[见式(1)、式(2)]揭示地下介质坡面视电阻率的变化情况。

(1)

(2)

式中：k为电极排列系数或装置系数；AM、AN、BM、BN为各电极间的水平距离，m。

用电剖面法测量地电的横向变化时，电极间距是恒定的，但记录点位置是变化的；用电测深法测量地电的垂直变化时，电极距是变化的，而记录点位置是固定的。高密度电法将这两种技术结合，一次生成二维视电阻率剖面，同时反映了测点下方不同电性岩层在深度变化下的分布情况以及深度不变时水平方向上的地电剖面特征[12]。

综上所述，高密度电法相对于传统方法的优点有：①电极布设能够一次完成，操作简便，可以减小因多次布设电极引起的干扰所造成的测量误差；②可由多种电极排列方式获取更多地电结构剖面状态的信息；③采集周期短(每一测点约2～5 s)；④可自动采集和录入数据，减少了工作量，提高了信息收集效率，避免了手动操作可能造成的错误和误差[13]。

由于地形起伏会改变地面电流场的分布，从而对探测结果造成影响，因此在布设测线时应选择地形起伏较小的地方。尽量避开输电线、金属管道、栏杆等金属物体以及较大的工业游散电流，减小外部干扰信号对探测结果的影响[14]。为提高电流强度，在测量过程中应尽量降低接地电阻：①在电极敷设过程中应检查接地电阻，接地电阻过大时可采取电极移位、浇盐水等措施来降低接地电阻；②尽量减小同一测线邻近电极的接地电阻差异；③电极敷设完成后进行全面接地电阻检查；④测量过程中进行不定期接地电阻检查，以保证数据质量。

2.2 装置类型

在电法勘探中，装置类型以电极排列方式区分。目前高密度电法常用的装置类型有5种：温纳(Wenner)装置、单极-单极(Pole-Pole)装置、单极-偶极(Pole-Dipole)装置、偶极-偶极(Dipole-Dipole)装置、复合对称四极(Wenner-Schlumberger)装置。温纳装置相较其他装置的优点是：具有较高的信噪比和抗噪性；分层效果好，具备极佳的纵向分辨率，对于确定异常埋深有较高的准确性且耗时较少[15-17]。

本文观测装置采用适用于固定截面扫描测量的温纳装置，其工作原理阐述如下。

温纳装置的电极排列顺序为A、M、N、B，其中A、B是供电电极，M、N是测量电极。该装置的特点是测量时保持AM、MN、NB等距；AM=MN=NB=a，a为电极间距。记录点位于MN中点[18]。采用温纳装置测量时，视电阻率可表示为

(3)

随着电极间距系数的增大，4个电极之间的间距也将同比例增大。在测量过程中，AM=MN=NB为电极间距，A、M、N、B同时点对点向右逐个移动，生成第一条截面线；然后AM、MN、NB增加一个电极间距，A、M、N、B同时点对点再次向右逐个移动，产生另一条截面线；逐次扫描测量后，最终可以得到倒梯形的测量断面(见图1)。

图1 温纳装置示意图

3 数据处理及异常推理解译

3.1 数据处理方法

高密度电法的数据处理与分析步骤如下：

a.首先编辑、检查野外收集的原始数据，去除不合理突变点，再进行地形校正；

b.将仪器存储的数据导入计算机中，加入地形文件，使用RES2DINV 2D & 3D软件，采用最小二乘法对电阻率数据进行反演，生成反演视电阻率剖面图[19]；

c.最后将反演结果与已知的工程、水文地质资料和其他物探资料结合进行综合解释。

3.2 异常特征及地质解释

为查明勘查区内采空区的延伸位置及分布情况，在勘查区内开展高密度电法探测隐伏采空区工作。本次工作共布设测线15条，测线控制长度11.0 km，最小电极间距5 m。使用的仪器是重庆地质仪器厂生产的DUK-2A型高密度电法测量系统。从温纳装置采集数据，测量层数为39层，电极数120根，单截面理论长度600 m。

本次勘查工作共推测采空区11处，其中+20～+60 m中段主要表现为相对低阻。标高+60 m处共发现7个异常区，主要异常区位于测线中部，低阻异常体较大，为一较大规模采空区。标高+20 m处共发现4个异常区，主要异常区位于A4-A6号测线，根据物探结果初步圈定采空区形态。因此，本文以A2、A4和A6号测线采集数据反演结果为例对探测效果进行分析。

图2为A2号测线反演视电阻率剖面。从图2中可以看出，视电阻率整体上呈由浅部到深部逐渐增大的趋势。根据地质资料，该测线0～538 m主要位于张性断层带上，538 m以后主要为坟头组砂岩。

从A2号测线上看，主要的低阻异常区位于该测线243～288 m处标高+60 m附近，该异常宽度约45 m，平均高度约10 m，结合地质资料推测该处异常主要为含水采空区形成的低阻体。另一个低阻异常区位于该测线373～437 m处标高+60 m附近，该处的视电阻率较低，一般判断为采空区，但该处已经回填，推测可能为回填后不密实，含水率较高所致。

图2 A2号测线反演视电阻率剖面

图3为A4号测线反演视电阻率剖面。从图3中可以看出，视电阻率整体上呈由浅部到深部逐渐增大的趋势。根据地质资料，该测线0～324 m为闪长玢岩，324～914 m主要位于张性断层带上，914 m以后主要为坟头组砂岩。

从A4号测线上看，主要的低阻异常区位于该测线383～463 m标高+60 m及+20 m附近，结合地质资料推测该处异常主要为含水采空区形成的低阻体。其中标高+60 m附近的采空区宽度约80 m，平均高度约13 m；标高+20 m附近的采空区宽度约35 m，高度约12 m。另一个低阻异常区位于该测线705～735 m附近，结合地质资料及前期物探资料分析，推测为断层引起的破碎及导水通道所致。

图3 A4号测线反演视电阻率剖面

图4为A6号测线采集数据温纳装置反演视电阻率剖面。从图4中可以看出，视电阻率整体上呈由浅部到深部逐渐增大的趋势。根据地质资料，该测线0～405 m为闪长玢岩，405～600 m为五通组含砾石英砂岩，740 m以后主要位于张性断层带上。

从A6号测线上看，主要的低阻异常区位于该测线390～440 m标高+60 m及+20 m附近，结合地质资料推测该处异常主要为含水采空区形成的低阻体。其中标高+60 m附近的采空区宽度约50 m，高度约15 m；标高+20 m附近的采空区宽度约65 m，高度约15 m。另外一个低阻异常区位于该测线695～750 m附近，结合地质资料及前期物探资料分析，推测为断层引起的破碎及导水通道所致。

图4 A6号测线反演视电阻率剖面

3.3 测线异常综合分析

将标高+60 m及+20 m的低阻异常采空区统一编号，根据所测的15条测线反演结果、两个平面切片图及剖面图统计采空区体积。标高+60 m处共有7个异常区，主要异常区位于测线中部，低阻异常体较大，为一较大规模的采空区，A4号测线表现尤为明显。标高+20 m处共有4个异常区，主要异常区位于A4-A6号测线。各测线采空区体积如图5所示。

(a)标高+60 m测线采空区体积

(b)标高+20 m测线采空区体积

4 结论

a.采用高密度电法，结合工程地质资料，根据各测线反演视电阻率剖面图对电阻率分布和变化趋势进行分析，能够有效确定采空区(低阻异常区)的位置和形态。

b.本次采空区勘查工作共推测采空区11处，其中+20～+60 m中段主要表现为相对低阻。标高+60 m的异常区表现为以A4测线为代表形成的采空区，标高+20 m主要异常区位于A4-A6号测线。

c.高密度电法勘探会受体积效应及地电影响，需布置一定数量的勘探孔进行验证，以提高勘探结果的可靠性。