高密度電阻率法在地表強干擾區(qū)對采空區(qū)探測的應用

黃昌慶，李朝暉，賈世俊

（中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院，山西 太原 030002）

山西省陽泉某地棚戶區(qū)改造，建設用地面積共計0.56km2，人類工程活動劇烈，原始地形地貌變化較大。本區(qū)地表大部為第四系黃土覆蓋，局部基巖裸露。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，就是開采年代久遠，相關(guān)資料欠缺，由于位于人文活動強烈區(qū)，故采用了高密度電阻率法在其指定范圍內(nèi)進行物探勘測工作。

1 地質(zhì)概況

賦存的地層有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、第四系中上更新統(tǒng)。

1.1 奧陶系中統(tǒng)峰峰組

主要為深灰色厚層泥晶石灰?guī)r，含方解石脈、黃鐵礦結(jié)核及生物碎屑，灰?guī)r以及薄層-中厚層狀灰質(zhì)白云巖互層組成，部分地段夾有角礫巖，地層厚度大于100m。

1.2 石炭系

中統(tǒng)本溪組：主要為黑灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色細砂巖。中夾2~3層石灰?guī)r，底部的一層較穩(wěn)定，下部為穩(wěn)定的鋁質(zhì)泥巖，厚度10m左右，本組地層厚度平均50m，平行不整合于奧陶系中統(tǒng)峰組之上。

上統(tǒng)太原組：為工作區(qū)含煤地層，其底部K1砂巖與本溪組分界。主要由灰色及黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色砂巖和15#煤層組成，中夾石灰?guī)r，本組厚度平均15m~48m左右，與下部本溪組為整合接觸。15#煤層，傾向南西，傾角一般5°~8°，埋深介于0m~40m，煤層厚度為5.77m，直接頂以泥巖為主，老頂為石灰?guī)r，是本區(qū)主要開采的礦層[1]。

1.3 第四系上更新統(tǒng)

以黃色粉土為主，含少量砂質(zhì)，底部粉砂層與淤泥質(zhì)土互層，分布在山坡及山頂上，層厚約0.5m~5m，建設場地內(nèi)僅局部厚度5m，大部厚度為0.5m~1m間。

2 地球物理條件

根據(jù)收集到的區(qū)域地質(zhì)資料，工作區(qū)勘查深度范圍內(nèi)地層主要為殘坡積物、灰?guī)r、砂巖、泥巖及煤層等。其中，黃土電阻率范圍大約在40Ω?m~60Ω?m之間，巖石電阻率范圍大約在60Ω?m~300Ω?m之間。當有采空區(qū)時，上部巖層結(jié)構(gòu)受到擾動破壞，產(chǎn)生松動、裂隙甚至坍塌現(xiàn)象，其電阻率值在這些區(qū)域發(fā)生變化，圖像顯示地層分布錯亂，視電阻率值增大或減小。當這些區(qū)域無充填時，顯示為高電阻；當這些區(qū)域含水或被其他含水物充填時，則顯示為低電阻?？傊簩硬煽諈^(qū)與其周邊巖層存在明顯的電性差異，具備投入高密度電法進行勘探的地球物理特征。

3 方法原理及儀器設備

高密度電阻率法也稱電阻率C-T法，基本原理與常規(guī)電阻率法完全相同，是基于垂向直流測深與電測剖面法兩個基本原理，以地下介質(zhì)的導電性差異為基礎的電探方法。是研究在施加外電場的作用下地下半空間地質(zhì)體傳導電流的分布規(guī)律。特點是：測量電極一次性布設完成，實現(xiàn)了供電和測量電極的自動布點、自動跑極、自動供電、自動測量、自動記錄、自動計算、自動存儲。減少了常規(guī)電阻率法因電極設置而引起的故障與干擾，同時能夠獲得較為豐富的關(guān)于地電斷面的地質(zhì)信息，具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。

3.1 參數(shù)選擇

本次高密度電阻率法測量依據(jù)工作目的要求設置技術(shù)參數(shù)，電極排列方式為溫納裝置，電極點距8m，最小隔離系數(shù)nmin=1，最大隔離系數(shù)nmax=16，供電時間1s，最大電極數(shù)100根，最大探測深度控制在120m，重點解決煤層采空。

3.2 儀器設備

本次勘查使用的設備為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所廠生產(chǎn)的WGMD-9超級高密度電法系統(tǒng)，該系統(tǒng)以WDA-1超級數(shù)字直流電法儀為測控主機，并配有WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換器、集中式高密度電纜、電極。該儀器特點是性能穩(wěn)定、大供電功率、寬量程、高精度、測量速度快。

3.3 工作布置

物探測線的布設在依據(jù)設計的基礎上，結(jié)合實際地形，以解決問題為目的靈活布置。本次勘查共布置高密度電阻率法測線8條，測線方位90°，點號由西到東，逐步遞增。

3.4 試驗工作

正式工作開始前，首先根據(jù)收集到的資料，并結(jié)合調(diào)查走訪結(jié)果，已知307國道復線南側(cè)存在才空，在此布置1條實驗剖面，與14線重合。在該地段進行了高密度電法工作，以驗證方法的有效性并得出異常形態(tài)特征。

通過試驗工作，一是試驗物探方法在本區(qū)的有效性，高密度電法采空區(qū)上方是否有可識別的異常顯示。二是要獲得煤層采空異常特征，對比分析與正常地段的不同特征，總結(jié)采空異常的電性值大小，確定異常平面和垂向分布特征，以此為模型開展全區(qū)物探勘查，達到由已知到未知解決地質(zhì)問題的目的。

根據(jù)當?shù)卣{(diào)查在存在縫隙，已知采空部位布置了一條試驗高密度電法試驗剖面，實驗剖面位置剛好與14線剖面重合，見圖1。剖面長792m，點距8m。最大探測深度約70m。由該剖面視電阻率斷面圖可看出，電阻率等值線總體呈水平方向變化。在已知采空部位，剖面內(nèi)平面位置340m~370m范圍，為一近似漏斗狀的低阻異常特征，反演結(jié)果表明延深至40m以上。異常區(qū)視電阻率值一般在60Ω.m以下，該處煤層賦存標高約40m左右，結(jié)合異常特征綜合判斷，推斷該處由煤層采空塌陷并充水所引起。另外在已知采空區(qū)坐側(cè)，約30m~40m深度，出現(xiàn)不同程度低阻異常，推斷也是由于采空區(qū)充水所致。在已知采空區(qū)右側(cè)，從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常，說明地層基本完整。

圖1 實驗剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

4 資料處理及推斷解釋

4.1 資料處理

首先對測量采集的原始數(shù)據(jù)進行單點畸變數(shù)據(jù)去除，排除干擾。再進行濾波處理。對每天剖面均進行地形改正，最后反演模型成像。本次工作使用瑞典《2DRES二維高密度電法反演軟件》進行反演，并結(jié)合反演結(jié)果加以推斷解釋。

4.2 資料解釋

00線剖面，從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常，說明地層基本完整。整個剖面未發(fā)現(xiàn)有采空區(qū)現(xiàn)象。

02線剖面，剖平距50-200m，在反演深度在40m左右，存在一個低阻異常區(qū)，推斷該處由采空并充水所引起。

04線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀的低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。由此分析，從剖面西側(cè)往東側(cè)660m處，均為采空區(qū)或者采空影響區(qū)。

06線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。據(jù)此分析，從剖面由西往東630m處，均為采空區(qū)或者采空影響區(qū)。

08線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。據(jù)此推斷，從剖面由西往東600m處，均為采空區(qū)或者采空影響區(qū)。

10線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。剖面在360m處出現(xiàn)一個圓柱高阻異常帶，但其兩側(cè)低阻異常判斷，這位置可能為未采空所致。由此分析認為，從剖面由西往東570m處，均為采空區(qū)或者采空影響區(qū)。

12線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。剖面在350m處出現(xiàn)一個圓柱高阻異常帶，但其兩側(cè)低阻異常判斷，這位置應該為未采空所致。由此分析認為，從剖面由西往東530m處，均為采空區(qū)或者采空影響區(qū)。

14線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。剖面內(nèi)平面位置340m~370m范圍，為一近似漏斗狀的低阻異常特征。反演結(jié)果表明延深至40m以上，電阻率值一般在60Ω.m以下，該處賦礦存標高約40m左右，結(jié)合異常特征綜合判斷，推斷該處由采空塌陷并充水所引起。剖面右側(cè)從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常，說明地層基本完整。

16線剖面，剖面在反演深度在40m左右，存在多個不規(guī)則、串珠狀低阻異常區(qū)，推斷由采空并充水所引起。反演結(jié)果表明延深至40m以上，電阻率值一般在60Ω.m以下，該處賦礦標高約40m左右，結(jié)合異常特征綜合判斷，推斷該處由采空塌陷并充水所引起。剖面右側(cè)570m處起從地表往下，視電阻率從低到高逐漸遞增，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常，說明地層基本完整。

圖2 06線剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

圖3 14線剖面高密度電法視電阻率反演斷面圖

5 結(jié)論

（1）通過本次物探勘查成果，初步得到結(jié)論，物探勘查區(qū)內(nèi)圈出一大范圍采空區(qū)異常，其中異常向勘查區(qū)的北部，西部均呈未封閉狀，說明采空區(qū)范圍向北向西仍有延伸。采空區(qū)及影響范圍如成果圖4所示。

圖4 物探勘查推斷成果圖

（2）物探工作基本達到了本次勘查的目的，高密度勘查效果較為明顯，能避開地表電路干擾，物探異常范圍跟調(diào)查的結(jié)果基本一致。對采空區(qū)異常進行三個鉆孔工程驗證，均出現(xiàn)掉鉆或進尺過快等情況，證明本區(qū)確實存在采空。

（3）人文活動強烈地區(qū)，不利于開展瞬變電磁測深和活性炭測氡，高密度電阻率法不失為行之有效解決勘探采空的首先方法。