高密度电法在北京山地小窑采空区勘探中的应用分析

李红义，慈伟主，秦睿，朱琪

（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

北京市部分山地间煤炭小窑开采历史久远，门头沟区小煤窑矿口数量甚至达数千个，其大多数被局部坍塌所掩盖，且无完备的存档资料可供查阅，采空区信息严重缺失[1]，对北京山地的开发和建设造成严重影响。高密度电法具有数据采集密度大、环保经济等特点，技术成熟，在地质勘察中运用较为普遍[2]。张光保[3]通过高密度电法勘察了青海褚家营巨型滑坡的厚度以及滑动面。杨智杰[4]应用高密度电法对吉林大石沟泥石流的探测进行研究。高武平等[5]应用高密度电法对青藏日喀则地区隐伏断裂进行探测。郑智杰等[6]应用高密度电法对广西柳州太阳村岩溶塌陷区的地质进行调查。付德俊等[7]应用高密度电法勘探湖南某房建项目的地基基础岩溶。本文应用高密度电法对北京山地某建筑项目的小窑采空区进行勘察，并采用钻孔的方式进行验证，以分析其对北京市门头沟区山地小窑采空区勘探的适用性。

1 工程概况

1.1 工程场地现状

北京山地某建筑项目处于近东西向山梁与南西-北东向冲沟之间的斜坡区域，地势北高南低，西高东低，平整后地形呈多级台坎状，如图1所示。场区受马鞍山背斜和印支期韧性剪切-固态流变及隆起运动的影响，岩层扭曲、揉皱严重，次级褶皱、断层发育，导致岩体普遍破碎、地层产状变化大。区内核部地层未揭露，南北两翼地层为二叠系下统岔儿沟组砂岩、砾岩及炭质泥岩。

图1 地形地貌图

1.2 工程采空区现状

建筑项目场地已有数百年煤矿开采历史，以三个集体矿为主，延展为众多小窑矿井。小窑开采区受复杂地质构造的影响在矿层区内的走向和厚度变化较大。采取平硐放顶，人力镐采的方式开采，导致开采区的规模与深度有限。图2、图3为现场的采空区迹象。

图2 采空区塌陷

图3 采空巷道

2 高密度电法勘探采空区

2.1 高密度电法

高密度电法以岩石和土体的导电性差异为基础，通过观测人为的地下电流场的分布规律以探究地质问题，电场分布满足下列微分方程[8]：

式中：U为电位，I为供电电流，σ为电导率，δ为冲激函数，为拉普拉斯算子，x0,y0,z0为电源坐标，x,y,z为电场点坐标。

高密度电法的工作原理如图4所示。

图4 高密度电法工作原理图

2.2 现场勘探

应用澳大利亚ZZ Resistivity Imag⁃ing研发的FlashRES 64多通道超高密度直流电法勘探系统进行数据采集。为保证测线的地形修正数据精确和异常区定位准确，测线的每个测点采用RTK记录空间位置。根据勘探工作的目的要求，采用测线长度选用63m～126m，电极距选取1m～2m的布设方式。

本文选取部分具有代表性的高密度电法电阻率反演图进行分析，如图5所示。

如图5所示，图5（a）所示断面中60m处有明显高阻异常，图5（b）所示断面中53m处存在明显高阻异常，图5（c）所示断面中2m处存在明显高阻异常，图5（d）所示断面中33m处存在明显高阻异常，图5（e）所示断面中32m处存在明显高阻异常，图5（f）所示断面中31m处存在明显高阻异常。根据高密度电法原理，可推断出此六处疑为小窑采空巷道或空洞。

2.3 钻孔验证

物探具有多解性，对图5中的高阻异常区的解译需要借助钻孔的方式验证其正确性，钻孔资料如图6所示。

图6中各钻探芯样依次与图5中各高密度电法电阻率反演图的高阻异常区一一对应，均揭露出空洞或塌落充填的巷道，即通过钻孔验证了高密度电法勘探出了小窑采空巷道，进一步说明了高密度电法对分析北京山地小窑采空区具有较好的适用性。

图5 高密度电法电阻率反演图

图6 钻探芯样图

3 影响因素

3.1 地形的影响

对高密度电法电阻率反演图进行分析时，发现在部分斜坡处较普遍地出现高阻异常区，如图7所示。

图7 斜坡处的高密度电法电阻率反演图

分析发现斜坡多由施工开挖造成，在施工开挖过程中，斜坡处原始平衡状态遭到破坏，岩体发生局部或整体的变形和破坏，岩体松动，出现裂隙，从而对应地在高密度电法电阻率反演图中出现高阻异常区，导致对小窑采空区误判。

3.2 高频屏蔽的影响

对高密度电法电阻率反演图进行分析时，发现部分明显存在空洞的位置（如图8所示），出现大面积高阻异常区（如图9所示），致使无法识别出存在的空洞。

图8 存在空洞的位置

图9 存在高频屏蔽的高密度电法电阻率反演图

分析发现空洞下存在体积较大的一块完整岩块，其电阻率值较高，导致空洞处形成的高电阻率值相对不明显，出现高阻屏蔽现象，掩盖了对应空洞处应出现的高阻异常区，导致无法识别出空洞位置。

4 结论

本文以北京山地某建筑项目的小窑采空区为研究对象，研究高密度电法勘探北京山地小窑采空区进行的适用性，结果表明：

①高密度电法具有观测精度高、数据采集量大的特点，对勘探北京山地小窑采空区具有较好的适用性；

②高密度电法受地形、高频屏蔽的影响较大，在高密度电法电阻率反演图中对应的位置，出现高阻异常区，分别造成小窑采空区的误判和无法识别。