摘要：高密度电法在许多工程勘察中有着广泛的应用，如地基勘察、地裂缝探测、岩溶塌陷、采空区调查及其他方面，均能发挥重要作用，本文着重讨论其在煤矿采空区方面的应用，说明其可行性、合理性。
关键词：高密度电法；煤矿采空区；勘察
1高密度电阻率成像法简介
高密度电阻率成像法是一种勘探式阵列方法，它可以通过地下岩石的导电性差异来反映地下介质的电阻率分布状况，进而通过研究介质与电阻率之间的关系获得研究介质的分布。高密度电阻率成像法具有非常多独特的优点，如：（1）可一次性布设多个电极，即可实现多次连续测量；（2）电极排列方式较多，且不同的电极排列方式有各自的优点，可以获得丰富的地电断面信息；（3）测量实现了半自动化，测量简单方便，而且大大减少了人为失误；（4）集电剖面法与电测深法于一体，既可以探测横向变化，也可以探测垂向变化等。
2高密度电法勘探原理
高密度电阻率法是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，获得地层中的电阻率分布情况，推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况。
3野外数据采集
本次煤矿采空区高密度电法勘探采用重庆奔腾数控技术研究所生产的ＷＧＭＤ－９超级高密度电法系统，共布设４条电法勘探测线，采用温纳装置，６０道电极测量，供电时间０．５ｓ，在相邻的两个剖面之间重合３０个电极，测量前进行接地电阻检测，检测值均小于２ｋΩ•ｍ。
4数据处理、解释及成果说明
高密度电法资料处理先将仪器内的测量数据通过传输软件传输到计算机中，运用ＲＥＳ２ＤＩＮＶ高密度电法反演软件进行坏点删除、地形校正、格式转换及反演计算等步骤，再利用Ｓｕｒｆｅｒ软件可直接绘制成视电阻率等值线图。在等值线图上根据视电阻率值的变化特征，结合钻探、地质调查资料作出地质解释，最后利用绘图软件ＡｕｔｏＣＡＤ绘制出物探成果解释图。在此选取Ⅰ－Ⅰ′、Ⅲ－Ⅲ′两条测线剖面图进行成果说明，见图１、图２。
测线Ⅰ－Ⅰ′、Ⅲ－Ⅲ′所在区域：上层为松散覆盖层，主要为残、坡积土，全风化层等，土质松散，稳定性差，该层视电阻率一般较低；下层为中风化层，主要为中风化炭质灰岩，砂岩、泥岩和泥灰岩互层，岩质较硬，节理、裂隙稍发育，稳定性较好；该层视电阻率远高于松散覆盖层，视电阻率随风化强度减弱逐渐增高。
图１所示，测线Ⅰ－Ⅰ′，ｚｋ１＋６６０～６８５，深度８～２６ｍ，面积约２００ｍ２存在一明显低阻区域，并贯穿于覆盖层和中风化层，视电阻率值为２．５～２８．５Ω•ｍ。上部蓝色条状区域为采空巷道，下部更为宽广的面状区域为煤矿采空区域。
图２所示，测线Ⅲ－Ⅲ′，ｚｋ１＋５００～５７０，深度７～３８ｍ，面积约４５８ｍ２；ｚｋ１＋６２０～７００，深度５～３１ｍ，面积约２８６ｍ２存在两处明显低阻区域，并贯穿于覆盖层和中风化层，视电阻率值分别为３．７～２７．３Ω•ｍ，３．３～２６．７Ω•ｍ。上部蓝色条状区域为采空巷道，下部更为宽广的面状区域为煤矿采空区域。经过后期钻孔验证，均证实上述区域存在煤矿采空区，内部含有残留某矿，并含有含水充填物。
5开展高密度电法工作应注意的事项
5.1资料收集与矿区地质调查
采矿资料的收集、工程地质调查、采矿调查是煤矿采空区勘察的基础，如果忽视这方面的工作或重视不够，往往会使高密度电法工作陷入盲目状态。搜集各种地质图及区域地质资料，借以了解地层构成、产状、构造及水文地质条件等；搜集矿床分布图，以了解矿床分布范围、层次、开采深度、厚度及埋藏特征和上覆岩层的岩性、构造等；搜集采掘工程平面图、井上下对照图、采区平面布置图、开采规划图，以了解采空区的位置、开采历史、顶板的稳定情况、塌落、支撑回填和积水情况。调查矿区分布范围，矿层的开采范围、深度、层数；调查开采方法和顶板管理，巷道宽度、高度、延伸方向，采空区的塌落情况；调查采空区地下水发育情况，排水、抽水情况及对采空区稳定的影响；调查建筑物变形情况，地面塌陷及地裂隙情况。
5.2标准剖面的选择与建立
在地层岩石出露条件较好，具有地层代表性的地段进行高密度电法测试，建立标准地电结构剖面，为高密度电法解释工作提供依据；在已知采空区地段进行高密度电法测量，了解采空区在视电阻率等值线断面图或二维反演图上的异常形态、规模等，建立解释异常模型模板，便于对照解释。
5.3剖面的布置、电极的排列组合及采集方法
采空区高密度电法测线布置应根据采空区主要的延伸方向、地形条件及人文环境进行布置。多布置垂直采空区走向的横剖面，并布置少量的平行或斜交采空区的纵剖面作为辅助剖面，剖面布置方向会影响采空异常的位置、形状及大小，直接影响着解释成果的精度。为了查明煤矿采空区的范围、埋深、采空区的空间大小、上覆岩、土层厚度，电极的排列组合及采集方法，既要满足较高横向分辨率的要求，又要有较大的探测深度。在不影响横向分辨率前提下，加大探测深度的方法是保持电极距不变串联更多的分布式电缆，布设更多的电极。当供电极与接收极距离较大后，接收到的信号较弱，会导致测量不准确，因此，野外可以采用发电机发电，经整流后供给分布式电测系统一个大功率、强电流的直流电源。当接地电阻过大、某个电极出现故障或某处地质条件无法打电极等造成电极缺失，会影响到资料的解释，缺失电极太多，将影响对异常位置的判断，甚至异常的性质，引起反演异常变化很大。因此，施工中要改善接地条件，提高采集数据质量。
5.4正确识别和划分煤矿采空区异常
对高密度电法资料进行合理解释就必须要正确识别和划分采空区异常。任何物探方法的应用效果，都与待查地质体的规模、形态、埋深及其与周边物性差异的强度相关，煤矿采空区与围岩在电性上的差异是开展高密度电阻率法的前提条件，也是识别和划分煤矿采空区异常的客观依据。矿体被采出后，在地下形成了一个空洞，在外力和上覆岩体的地应力作用下，发生变形、断裂、位移和冒落，扩大了采空区的异常范围，因此，对煤矿采空区的探测是探测包括空洞、冒落带和裂隙带在内的整个区域。当煤矿采空区位于潜水面以上时，由于煤矿采空区中气体的电阻率比围岩的电阻率高很多，表现为高阻异常；当煤矿采空区位于潜水面以下时，随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐塌陷，地下水会侵入，水中溶解大量的电解质，表现为低阻异常。采空区的电阻率随着采空区的发展，会出现相对高阻或低阻的异常变化；采空区异常的强弱、形态与采空区的宽度及规模有关。实际工作表明，在高密度电法的探测工作中会出现“静态效应”、“异常扩展效应”和“负电位差”现象。由于浅部不均匀地质体的存在，测深曲线存在失真，视电阻率拟断面图或反演断面图上出现所谓“挂面条”和“串珠”等假象，给勘探深部目标地质体造成很大的困难，甚至导致错误的结论，在异常识别与解释中，必须注意浅部不均匀体所带来的静态效应的影响。在高密度电法资料的解释中，注意到地下地质体大小与其形成的异常范围差别较大，产生异常扩展效应，当极距增大时，异常范围按一定的方向扩展，地质体两侧的异常大且远离地质体，异常向两侧扩展，表现为随着极距的增大，异常的范围在变宽。其结果会造成依据解释软件反演出的地电断面，圈定的采空区的位置、中心埋深与实际情况存在一定的偏差。因此，对高密度电法资料的解释要结合地质情况与钻孔资料进行对比分析，并开展其他物探方法进行补充。在合适的地电条件下，有时能够观测到有规律的、幅值较大的负电位差。这些负电位差往往与被探测的地质体有关联，工作中注意与无规律的、单个的、接地条件不好引起的负电位差相区别。
6结语
本文通过一个成功的工程案例主要探讨了高密度电法在煤矿采空区勘察中的应用，并且在后期的钻探中得到了验证，为下一步工程设计提供了可靠的依据。由此可以看出在此类工程勘察中采用高密度电法是可行的，并且在某些方面具有其独特的优势。
参考文献：
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[2]肖川,张义平,刘超,缪玉松,杨玉蕊.高密度电法在探测煤矿采空区赋水情况的应用研究[J].科学技术与工程,2012,30:7999-8003.
[3]李玉东,牛淑敏.高密度电法在煤矿采空区探查中的应用[J].中国煤炭地质,2010,S1:79-82.
论文作者:文政武
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：采空区论文; 电阻率论文; 高密度论文; 煤矿论文; 异常论文; 电极论文; 质体论文; 《基层建设》2017年第10期论文;