基于高密度電法的礦井電阻率異常探測研究

吳春梅，劉明瓚，羅 琴，張華賓

（重慶市地勘局川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶 400038）

現(xiàn)階段礦井探測手段大致可分為三大類：第一類為地質(zhì)調(diào)查，即通過對礦山開采資料及地表勘查數(shù)據(jù)，掌握采區(qū)地表分布情況，此種方式的不足點(diǎn)為精度較低，優(yōu)點(diǎn)為調(diào)查成本低；第二類為地球物理探測，此方法包含的方法種類較多，它接近于無損探測，其不足點(diǎn)為探測有多解性，優(yōu)點(diǎn)為探測速度快、精度高；第三類為鉆探，即在地面進(jìn)行直接開采，它的不足點(diǎn)為所需費(fèi)用高、無法確定大面積礦床電阻率異常范圍，優(yōu)點(diǎn)為探測精度高。在以上三大類方法中，以地球物理探測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。用于礦區(qū)探測的地球物理方法主要包括地質(zhì)雷達(dá)法以及電法類方法（如地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、瞬變電磁法、電法CT）。地質(zhì)雷達(dá)探測深度相對較淺；瞬變電磁法對淺部地層的地下采空區(qū)探測存在盲區(qū)。近年來，高密度電法以其精度高、信息量豐富、布極方式多樣化的優(yōu)勢，在各物探領(lǐng)域的探測工作中取得了很好的效果，在采空區(qū)探測領(lǐng)域也取得了較為廣泛的應(yīng)用，但相關(guān)研究多限于現(xiàn)場應(yīng)用，針對高密度電法探測礦區(qū)電阻率異常模擬研究較少。本次選擇保護(hù)程度較好、具有代表性的合川區(qū)，采用高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)兩種方法對井下電阻率異常情況進(jìn)行研究，并用鉆探方法對其有效性進(jìn)行驗(yàn)證[1-3]。

1 探測方法原理

雖然前人對使用物探方法探測井下電阻率異常工作較少，可以用來進(jìn)行對比分析的資料很少，但是經(jīng)總結(jié)分析已有礦山地質(zhì)勘探資料后認(rèn)為，井下的富含水砂層為良導(dǎo)體，選擇電阻率法應(yīng)該有較好的工作效果，因此選擇分辨率較高且在工程物探上經(jīng)常使用的高密度電法作為本次工作的主要物探方法。

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系統(tǒng)三部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制電極系統(tǒng)各電極的供電與測量狀態(tài)。主機(jī)通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。高密度電法系統(tǒng)如圖1所示。

如圖1所示，高密度電法測量通過在探測礦井地表按照一定電極距均勻布設(shè)電極，同一電極在數(shù)據(jù)采集時(shí)既承擔(dān)供電電極，又作為接收電極，按裝置排列來采集測量數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)主要包含供電、接收電極編號以及一次場及視電阻率。通過電極的移動(dòng)以達(dá)到探測深度的變化，并通過對地下一定深度范圍內(nèi)的視電阻率測量來形成相對直觀的剖面視電阻率圖，從而對剖面一定深度范圍內(nèi)的地電結(jié)構(gòu)的差異的分析及解釋來達(dá)到勘探效果。

圖1 高密度電法系統(tǒng)示意圖

2 礦井電阻率異常探測

物探工作區(qū)位于渝西方山丘陵區(qū)，降雨充沛，且受小河溝影響，地下水發(fā)育，潛水面較淺。物探工作靶區(qū)位于肖家鎮(zhèn)（圖2工作區(qū)及周圍地形地貌衛(wèi)星影像）[4,5]。

2.1 電法數(shù)據(jù)采集

本次探測使用的高密度測量儀器是賽盈地脈技術(shù)有限公司（Geomative）生產(chǎn)地GD-10直流電法系統(tǒng)。GD-10系列地電系統(tǒng)具備發(fā)射功率范圍大、信號精度高、測試功能齊全、野外測試布線簡單輕便、長期使用維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

高密度電法共敷設(shè)4條主剖面，1條副剖面，主剖面線距2～3米，點(diǎn)距1m。其中主剖面長71m，副剖面長47m，測線走向均為108°（圖2）。

圖2 高密度電法剖面及鉆孔布設(shè)示意圖

本次工作使用GD-10型高密度電法系統(tǒng)，電極間距為1m，4條主剖面每條剖面布設(shè)72根電極，副剖面每條剖面布設(shè)48根電極。每條剖面測量兩次，一次為縱向分辨率較好的溫納裝置測量，一次為橫向分辨率較好的偶極裝置測量。一條剖面測量完畢后，現(xiàn)場將數(shù)據(jù)輸入筆記本電腦進(jìn)行處理，以溫納裝置反演電阻率斷面圖確認(rèn)異常體的埋深，以偶極裝置反演電阻率斷面圖確認(rèn)異常體的平面位置，現(xiàn)場確認(rèn)異常體的形態(tài)特征。

2.2 探測結(jié)果

根據(jù)高密度電法L1剖面的電阻率反演斷面圖（圖3）可知，電阻率可分為3層：①在剖面2.8m深度以上為中高電阻率層，推測為潛水面以上受地表水影響的富水粘土層、砂質(zhì)粘土層的表現(xiàn)；其中剖面起止點(diǎn)位置的極高阻異常為工作區(qū)地形起伏的表現(xiàn)；②在剖面2.8m至3m深以下為一層極低電阻率，推測為井下完全被潛水滲透的富水砂層的表現(xiàn)；③異常層：在剖面水平距離35m至40m，深度約3m處，兩種裝置均出現(xiàn)一電阻率略高于地下富水砂層的異常體。

圖3 高密度電法L1剖面綜合成果斷面圖

Ⅰ溫納裝置測得的數(shù)據(jù)，異常區(qū)呈半封閉的相對高阻特征，但由于溫納裝置的異常擴(kuò)展效應(yīng)，高阻異常范圍顯得較大，但分層特征明顯；

Ⅱ偶極偶極裝置測得的數(shù)據(jù)，表明該電阻率異常礦體處于富水砂層內(nèi)，其頂部深約5m，底部深約9m，異常范圍較溫納裝置測得的異常范圍小，與偶極裝置水平分辨率較高吻合。

在進(jìn)行了工作地下的電阻率三維可視化模擬，得出該礦井電阻率異常體水平走向約20°，且在該方向水平延展長約5至6m，寬約2至3m，異常體高度約3至4m，頂板深度約5至5.5m，底板深度推測約9至10m。

3 結(jié)論

高密度電法的偶極裝置對地下微弱電阻率差異的電阻率異常體的橫向分辨率較好，能夠較好的確定異常體在平面上的位置；而高密度電法的溫納裝置對地下電阻率異常體的縱向分辨率較好，對不同視電阻率的地質(zhì)體分層效果明顯，結(jié)合兩者數(shù)據(jù)對異常體的位置、埋深進(jìn)行判斷，在與試驗(yàn)區(qū)埋藏環(huán)境相似的礦區(qū)地質(zhì)勘查上具有較好的效果。本次高密度電法測到的視電阻率高阻部分，其值為50～90（Ω.m），本次工作使用物探加鉆探相互驗(yàn)證的方式進(jìn)行找礦，充分證明物探高密度電法在探測礦區(qū)電阻率異常方面是有效可行的。