高密度电法在云南省昭泸高速公路采空区探测的应用

黄阳 许定伦 唐侃 邓海明 黄志刚 孔令伟 柴建勋

（昭通市昭泸高速公路投资开发有限公司 云南昭通 657000）

我国矿山采空区分布广，矿山隐伏空区不利于边坡稳定，成为影响矿山安全的重大危险源之一［1］。在云南省昭泸高速公路牛场互通K29+380～+700 段左右两侧斜坡，分布有较多规模小的老矿道。老矿开采时间多较长，解放前后均有开采，多采用巷道式开采，长度几十米，深度一般小于20m，为浅部采煤；因煤层厚度不大，且煤厚不稳定，开采技术条件差，无大规模成片采空区分布。然而未知采空区对于道路及边坡稳定性存在不良影响［2］，因此，有必要对这一区域进行勘察。目前，所有煤窑由于停采时间较长，均已坍陷，无法准确勘察。钻孔方法不仅费时、费力、费钱，且在不清楚采空区分布的情况下，容易造成安全事故［3］。

高密度电法作为地球物理勘察手段之一，被广泛运用于滑坡群地质灾害［4］、隧道［5］、地基［6］及采空区的勘测上。李路明等将高密度电法与瞬变电磁法结合，成功划分出了异常区［7］；刘国勇等的研究证明了高密度电法是探测积水采空区的有效方法［8］。本次项目选用观测精度高且效率高的高密度电法［9］对选定的路线进行工程物探，通过工程物探的手段，排查昭泸高速牛场互通附近的采空区，包括范围、深度及采空区的顶板厚度等；采空区的岩性组合情况及地下水位情况，包括覆盖土、基岩强风化层、破碎带等情况，为勘察提供物探资料。

1 测区地质条件

昭泸高速公路彝良—镇雄段SJ-2 标段牛场互通位于昭通市镇雄县牛场镇，其主线范围为K29+285～K30+701。本互通位于牛场河的右岸斜坡地带，地面高程1410～1460m，属于构造剥蚀峡谷中山地貌。河谷深切，地势险峻，斜坡陡缓相间，自然坡度12°～45°。斜坡缓坡带为旱地，陡坡带植被较发育，部分测区地段由于现场施工开挖，原地形已发生改变。测区范围内有乡村便道通过，交通方便。

待勘察区表层第四系堆积物覆盖厚度不均，地层岩性受风化、剥蚀作用，浅部基岩可分为强至弱风化的不同物性差异层面，可形成电阻率差异界面。受构造影响，富水带、裂隙带、破碎带的存在及降水与地下水的影响，亦可形成岩体的电性差异。根据已知的地质及踏勘结果，本工区大部分区域基本满足高密度电法勘探的物理基础。

本次高密度电法物探工作主要沿线路已变形的开挖边坡方向布置，测线的具体布设情况见图1。

图1 高密度电法测线具体地理位置

2 物探工作方法及资料处理

2.1 高密度电法基本原理

高密度电阻率法最早于20 世纪80年代在日本实现［10］，其理论基础与传统电阻率完全相同，是一种依赖于岩土体导电性差异的物探方法。具体来说，首先是通过两极施加外在电场，然后测量另外两极电位差，从而求得对应记录点的视电阻率值［11-12］。不同岩土体导电性能不一致，于是通过获取的视电阻率剖面图可以获取地层分布，为后续的工程建设提供设计依据。与普通电法不同的是，高密度电法通过布设多个电极（几十个，甚至上百个）快速完成测量工作，获得倒梯形的电阻率图。由于本项目的主要目的是排查煤矿巷道及采空区，排查范围较大，所以采用高密度电法可以提高工作效率。

2.2 野外工作方法

本次野外勘探工作采用的仪器是WDJD-3多功能数字直流激电高密度电法仪。该仪器的测量电极转换器最多可接60 路，最大供电电压可达900V，最大供电电流可达5A，无需人工转换电极。

采用的电极布置方法是α 排列，采用新型直流电源供电，最大供电电压可达500v。电极距取3m和5m，即对应排列长度最大可达177m和295m。为了排除野外因素的干扰，野外勘测中需要确保每个电极最少2/3进入地表以下。

2.3 室内数据处理

室内资料处理时采用RES2DINV自动迭代反演程序，在已知地层电阻率范围的基础上，经过地形校正，数据平滑处理和异常突出处理［13］。通过3～5 次的迭代，满足均方根小于10 的条件后，导出最后的电阻率等值线图。在等值线图上，根据视电阻率值的变化特征，辅以前期调查地质资料，以Auto-CAD 绘制出物探成果解释图。

3 结果分析

3.1 地层分类

本次数据处理专用软件2dRes是以平滑约束最小二乘法（smoothness-constrained least-squares）为基础，以拟牛顿（quasi-Newton）最佳技术为准则的最小二乘法来实现的［14］。经过数据处理后，绘制成视电阻率彩色图及电学地质断面图。

通过对测试的高密度电法资料解释成果图进行综合分析，发现视电阻率变化较大，结合地表及钻孔资料，对高密度电法反演视电阻率彩色图分析统计如下。

（1）视电阻率小于100Ω·m的地层：主要为地表耕作土、碎（块）石类土，且土体中空穴水较富集。

（2）视电阻率在100～600Ω·m之间的地层：主要为破碎碎石土、富水带及泥岩、页岩、煤线破碎带。

（3）视电阻率在600Ω·m以上的地层：主要为较破碎泥岩、页岩、煤线。

（4）视电阻率大于2000Ω·m，且距地面约5～15m深闭合高阻：推测为煤矿巷道。

3.2 测线解释

物探成果解释如图2 所示，测线视电阻率结果如图3所示。从整体上看，视电阻率偏低，整体视电阻率主要在600Ω·m以下；表层呈现大片低阻带，视电阻率主要在100Ω·m 以下。结合现场测试及施工情况，测线136～160m从地表向深部延伸的低阻带推测为富水破碎带；视电阻率主要在100～600Ω·m 之间的，推测为中风化泥岩；在240～245m、470～540m 之间距地面约5～10m 深有闭合高阻，视电阻率大于2000Ω·m，推测有空洞（或煤矿巷道）。

图2 高密度电法物探解释图

图3 测线0~750m 视电阻率勘察结果

需要说明的是，测线部分位于房屋中，现场测试采取绕避，且工区地形较陡、现场雨水较多、拆迁房屋遗留建渣和测区表层由于边坡开挖堆积的碎石和基岩碎块对数据采集质量有一定影响，对物探成果解释造成一些不确定性，应结合地表地质调查和钻探等资料进行分析。

4 结语

本次物探勘察按照行业标准进行了野外勘察，根据技术规范进行了资料处理，能够保证物探结果客观反映了所测地段的地质地球物理情况。

结合本区地质调查资料、钻探资料及物探成果，测线240～245m、470～540m 之间距地面约5～15m 深有闭合高阻，视电阻率大于2000Ω·m，推测有空洞或煤矿巷道。其他测线尚未发现大型采空区，整体推测可能存在岩体破碎、富水的结果。

高密度电法成果资料中，由于其异常成果为地下各种地质体异常的综合反映，对异常区进行钻孔比对后，验证了高密度电法适用于采空区的勘测。