高密度電阻率法在礦山巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

田昌貴，元宙昊

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

青山河位于湖北省大冶市銅錄山礦區(qū)西側(cè)，該河中下游段與該礦南露天坑的距離約500m，河床流域內(nèi)的巖溶發(fā)育帶與礦區(qū)相連.礦山的長(zhǎng)期疏干排水導(dǎo)致青山河流域巖溶塌陷，洪水期河水倒灌流入礦坑.礦山曾多次采用堤壩加固、回填封堵塌陷區(qū)等方法治理，但收效甚微.地下水長(zhǎng)期對(duì)河床底部沖刷和掏蝕，導(dǎo)致每逢汛期河床便再次復(fù)活塌陷，河水和大冶湖水通過(guò)復(fù)活的塌坑、巖溶裂隙流入礦坑，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn).為了徹底解決礦山水患問(wèn)題，采用高密度電阻率法探測(cè)了解河床底部的巖溶發(fā)育特征及礦區(qū)的地下水主徑流通道，并根據(jù)探測(cè)成果對(duì)河床底部巖溶進(jìn)行了注漿加固試驗(yàn)，有效地封堵了小清河河水及礦區(qū)地下水流入礦坑的主徑流通道，消除了河床巖溶塌陷復(fù)活、洪水倒灌對(duì)礦山安全生產(chǎn)的威脅.

1 高密度電阻率法的基本原理及特征

1．1 高密度電阻率法的基本原理

20世紀(jì)70年代末期英國(guó)學(xué)者Johansson提出了高密度電阻率法的最初模式（電測(cè)深偏置系統(tǒng)）［1］，80年代中期日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株式會(huì)社借助電極轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換電極排列方式實(shí)現(xiàn)了野外高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集，80年代后期我國(guó)原地質(zhì)礦產(chǎn)部開始了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究［2］.高密度電阻率法的基本原理與常規(guī)直流電阻率法相同，以探測(cè)目標(biāo)體與周圍物質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，在人工電流場(chǎng)的作用下，通過(guò)觀察和分析視電阻率的變化規(guī)律來(lái)分析地質(zhì)問(wèn)題［3］.高密度電阻率法可以在探測(cè)斷面上同時(shí)布置多個(gè)電極，通過(guò)電極轉(zhuǎn)換裝置控制電極的不同排列組合（如α、β、偶極、施倫貝謝和溫納－施倫貝謝等［4］）可以同時(shí)完成測(cè)剖面和測(cè)深工作，可以提供更加豐富的地?cái)嗝嫘畔ⅲ欣诜治龊捅容^，見(jiàn)圖1，其中a為極間距.

圖1 高密度電阻率法電極排列示意圖Fig．1 Common arrays used for high density resistivitymethod

1．2 高密度電阻率法的特點(diǎn)

高密度電阻率法具有測(cè)點(diǎn)密度高，獲取信息量大，對(duì)探測(cè)對(duì)象無(wú)損傷，成果精確、工作效率高等特點(diǎn)［5］.與常規(guī)電阻率法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①電極布設(shè)一次性完成，有助于減少因電極設(shè)置引起的干擾和故障，減小測(cè)量誤差；②通過(guò)轉(zhuǎn)換電極排列方式可獲得豐富的地電斷面信息；③采用自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集方式，不僅可以提高數(shù)據(jù)采集效率，還可以減小人工操作造成的誤差；④可以對(duì)資料進(jìn)行預(yù)處理并顯示剖面曲線形態(tài).

2 測(cè)區(qū)概況

本次高密度電法探測(cè)剖面布設(shè)在銅錄山青山河兩岸和露采坑西南側(cè)半坡路面.青山河河床及其兩側(cè)為第四系沖積亞粘土，細(xì)—中砂、砂礫石巖層.結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差.其下為三疊系碳酸巖地層，巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng).近地表淺部發(fā)育有溶洞、開口型的洞穴及溶溝.礦床開采過(guò)程中不斷疏排地下水，引起區(qū)域地下水位下降，溶洞、洞穴上部第四系土層失去了地下水的“浮托力”，同時(shí)在地下水潛蝕、掏空、搬運(yùn)第四系土層及溶洞、洞穴充填物的作用下，自然條件下的相對(duì)平衡遭到了破壞，導(dǎo)致河床出現(xiàn)下沉、開裂、塌陷現(xiàn)象.為了解礦區(qū)地下水流入礦坑的主徑流通道，采用了高密度電阻率法探測(cè)礦區(qū)地下巖溶分布特征及規(guī)律.

3 工作方法與技術(shù)

本次外業(yè)資料采集采用WGMD－9超級(jí)高密度電阻率法系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自然電位及電極極化補(bǔ)償、可隨時(shí)檢查接地電阻等優(yōu)點(diǎn).經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步試驗(yàn)后，決定在青山河岸Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面采用溫納裝置，露采坑南側(cè) Ⅲ號(hào)剖面綜合采用溫納裝置、斯倫貝謝裝置.測(cè)線參數(shù)如表1所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面位置如圖2、3所示.

表1 測(cè)線參數(shù)表Table 1 Survey line parameters

圖2 物探測(cè)試Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面位置圖Fig．2 Position of profile 1 and 2 by geophysical test

4 測(cè)試成果解釋

外業(yè)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)圓滑處理后，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行二維、三維反演后獲得地電斷面信息，數(shù)據(jù)圓滑處理一般采用壞點(diǎn)剔除和滑動(dòng)平均等方法［6］.二維反演計(jì)算采用基于準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘新算法，其計(jì)算速度可以達(dá)到常規(guī)最小二乘法的10倍以上.反演結(jié)果主要通過(guò)均方誤差（RMS）來(lái)衡量［7］，RMS越大，反演結(jié)果的可靠度越低.通過(guò)多次迭代可以減小均方誤差，為保證反演結(jié)果的可靠度，本次探測(cè)成果采用五次迭代反演.

4．1 青山河?xùn)|岸Ⅰ號(hào)剖面

Ⅰ號(hào)剖面位于青山河?xùn)|岸，外業(yè)采集的兩條溫納裝置數(shù)據(jù)剖面反演成果一致性良好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以客觀反映測(cè)區(qū)的地電條件，數(shù)據(jù)成果可靠.

高、低阻區(qū)在斷面上有清楚的反映，在斷面上存在1#、2#兩個(gè)低阻異常體（見(jiàn)圖4），根據(jù)地質(zhì)資料綜合推測(cè)兩處為強(qiáng)巖溶發(fā)育地段.1#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)號(hào)53～96m處，上頂埋深約7m，下底埋深約25m，呈漏斗狀，推斷為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū).2#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)號(hào)115～150m處，與現(xiàn)場(chǎng)塌方處一致，異常上頂埋深28m，由于探測(cè)深度的原因，異常下部沒(méi)有閉合，下底埋深大于40m，推斷為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū).

4．2 青山河岸Ⅱ號(hào)剖面

Ⅱ號(hào)剖面位于青山河西岸，平面位置與Ⅰ號(hào)剖面隔河對(duì)稱，外業(yè)采集的兩條溫納裝置數(shù)據(jù)剖面反演成果一致性良好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以客觀反映測(cè)區(qū)的地電條件，數(shù)據(jù)成果可靠.

高、低阻區(qū)在斷面上有清楚的反映，在斷面上存在3#、4#兩個(gè)物探異常體（見(jiàn)圖5），根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析推斷這兩處為巖溶發(fā)育地帶.3#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)號(hào)53～98m處，上頂埋深約9m，下底埋深約22m，推斷為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū).4#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)130～172m處，與現(xiàn)場(chǎng)塌方處一致，異常上頂埋深5m，下底埋深17m，推斷為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū).

圖4 Ⅰ號(hào)剖面地質(zhì)解釋圖Fig．4 Geological interpretation of profile 1

圖5 Ⅱ號(hào)剖面地質(zhì)解釋圖Fig．5 Geological interpretation of profile 2

4．3 Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面對(duì)比分析

Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面所反映的地層吻合度較好.都存在兩個(gè)高阻區(qū)即兩個(gè)完整性較好的灰?guī)r巖體，其中，Ⅰ號(hào)剖面完整性較好的灰?guī)r巖體被埋深較大的巖溶隔開，Ⅱ號(hào)剖面因巖溶埋深較淺，探測(cè)成果反映兩個(gè)完整性較好的灰?guī)r巖體連成一片.1#、3#巖溶區(qū)的形態(tài)、位置、埋深基本一致，推斷為同一巖溶發(fā)育區(qū).2#、4#巖溶發(fā)育區(qū)分別與現(xiàn)場(chǎng)塌方處一致，2#巖溶發(fā)育區(qū)埋深大，4#巖溶發(fā)育區(qū)埋深小，2#巖溶發(fā)育區(qū)位置較4#巖溶發(fā)育區(qū)偏北，推斷為同一巖溶發(fā)育區(qū).該巖溶發(fā)育區(qū)走向北北東，沿南南西向下延伸，延伸深度大于40m，形成的空洞較大、較深，這正是此處塌方的原因之所在.

4．4 露采坑南側(cè) Ⅲ號(hào)剖面

Ⅲ號(hào)剖面位于露采坑南側(cè)半坡路面，外業(yè)采集了兩條溫納裝置的數(shù)據(jù)剖面和一條斯倫貝爾裝置的數(shù)據(jù)剖面，三個(gè)剖面反演成果一致性良好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)客觀地反映了測(cè)區(qū)的地電條件，數(shù)據(jù)成果可靠.

Ⅲ號(hào)剖面存在5#、6#兩個(gè)物探異常體（見(jiàn)圖6）.根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，剖面所處地層：測(cè)點(diǎn)0～410m為中下三疊統(tǒng)白色中粗粒大理巖，測(cè)點(diǎn)410～590m為石英正長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖，測(cè)點(diǎn)410m處附近為巖性接觸帶，接觸帶大角度傾向東南.因此，接觸帶與Ⅲ號(hào)剖面在測(cè)點(diǎn)410m處附近呈近似正交且大角度傾向大測(cè)點(diǎn)號(hào)方向.

圖6 Ⅲ號(hào)剖面地質(zhì)解釋圖Fig．6 Geological interpretation of profile 3

5#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)號(hào)260～325m，上頂埋深約18m，下底埋深大于90m，異常平面呈垂向延伸、陡立狀，推斷為金屬礦化低阻體或裂隙發(fā)育帶.6#異常體平面位置位于測(cè)點(diǎn)365～450m，上頂埋深17m，下底埋深70m，異常平面近似等軸狀.該異常為復(fù)合異常體，異常的主體為礦坑陡立金屬排水管群，異常右邊界為接觸帶右邊界的反映，物探成果顯示的巖性接觸帶位置與現(xiàn)場(chǎng)地表出露的巖性接觸帶走向基本吻合，接觸帶呈大角度傾向剖面大測(cè)點(diǎn)號(hào)方向.

5 結(jié) 語(yǔ)

高密度電法重復(fù)觀測(cè)成果資料一致性良好，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)客觀地反映了測(cè)區(qū)的地電條件，數(shù)據(jù)成果可靠.后期對(duì)青山河沿岸物探異常體進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況與物探結(jié)果基本相符.通過(guò)對(duì)河床巖溶塌陷進(jìn)行注漿充填，封堵了小清河巖溶塌陷區(qū)與礦坑之間的主徑流通道，基本消除了豐水期洪水通過(guò)河床塌陷灌入礦區(qū)礦坑的風(fēng)險(xiǎn).本案例說(shuō)明先通過(guò)高密度電阻率法探測(cè)出巖溶分布特征及規(guī)律，然后采用帷幕注漿技術(shù)對(duì)礦區(qū)地下水流入礦坑的主徑流通道進(jìn)行重點(diǎn)封堵，不僅可以大幅降低治水成本，而且可以達(dá)到較好的堵水效果.該方法在類似巖溶礦山的地下水防治中可以推廣使用.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)對(duì)本研究的資助！

［1］李金銘，羅延鐘．電法勘探新進(jìn)展［M］．北京：地質(zhì)出版社，1996．LI Jin－ming， LUO Yan－zhong．Development of resistivitymethod［M］．Beijing：Geological Publishing House，1996．（in Chinese）

［2］董浩斌，王傳雷．高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用［J］．地質(zhì)前緣，2003，10（1）： 171－176．DONG Hao－bin， WANG Chuan－lei．Development and application of 2D resistivity imaging surveys［J］．Earth Science Frontiers，2003，10（1）：171－176．（in Chinese）

［3］王興泰．高密度電阻率法及其應(yīng)用研究［J］．長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，21（3）： 341－348．WANG Xing－tai．High density measurementmethod of electrical resistivity and its application technics ［J］．Journal of Changchun University of Earth Science，1991，21（3）：341－348．（in Chinese）

［4］馬志飛，劉鴻福，葉章．高密度電法不同裝置的勘探效果對(duì)比［J］．物探裝備，2009，19（1）： 52－56．MA Zhi－fei， LIU Hong－fu， YE Zhang．Comparison of exploration effect for different devices of high－density electrical prospecting ［J］．Equipment for Geophysical Prospecting，2009，19（1）：52－56．（in Chinese）

［5］王興泰．工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù) ［M］．北京：地質(zhì)出版社， 1996：108-109．WANG Xing－tai．New technology and new methods for engineering and environmental geophysics ［M］．Beijing：Geological Publishing House，1996：108－109．（in Chinese）

［6］石林珂，劉洪一，冷元寶．高密度電阻率法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（5）： 122－124．SHILin－ke ，LIU Hong－yi， LENG Yuan－bao．Application of high density－resistivity method in mined－out god area detecting ［J］．North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2010，31 （5）：122－124．（in Chinese）

［7］李美梅．高密度電阻率法正反演研究及應(yīng)用 ［D］．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2010.LI Mei－mei．The research of high density resistivity method of positive and negative numerical modeling［D］．Beijing：China University of Geosciences （Beijing），2010．（in Chinese）