采空區(qū)探測(cè)高密度電阻率法的應(yīng)用

李遠(yuǎn)強(qiáng)

(北京市地質(zhì)研究所,北京 100120)

北京市門頭溝區(qū)和房山區(qū)煤礦開(kāi)采歷史久遠(yuǎn),開(kāi)采最早在元代,至今已有800多年.煤層主要分布于石炭-二疊煤系地層,厚度0.5～10多米不等.解放前長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的小窯無(wú)序開(kāi)采其深度較淺,一般為幾十米,個(gè)別達(dá)到100m;解放后的國(guó)礦開(kāi)采深度較大,按照安全規(guī)定采掘.改革開(kāi)放后,私營(yíng)煤礦超采超挖現(xiàn)象嚴(yán)重,少有礦井資料,關(guān)閉后留有許多隱患.北京平谷地區(qū)金礦歷史開(kāi)采,留下諸多未知采空區(qū).

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,為增加土地利用,采空區(qū)的勘查顯得尤為重要.近十年來(lái),高密度電阻率法為地下采空區(qū)探測(cè)做了大量的工作,取得了良好的效果.

1 高密度電阻率法

(1)基本原理

高密度電阻率法的基本原理等同于常規(guī)電阻率法,它是利用不同地層巖石所具有的電性差異,通過(guò)地表不同電極距的設(shè)置采集到地下不同深度的視電阻率值,再對(duì)蘊(yùn)含有各種地質(zhì)體信息的視電阻率值,采用數(shù)據(jù)處理、成圖及解釋,從而推演出地質(zhì)體的大小、形狀、分布和特征[1].高密度電法與常規(guī)電法相比,它具有以下優(yōu)點(diǎn):①由于電極的布置是一次完成的,測(cè)量過(guò)程中無(wú)須跑極,因此可防止因電極移動(dòng)而引起的故障和干擾;②在一條觀測(cè)剖面上,通過(guò)電極變換或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可獲得多種裝置的ρs斷面等值線圖;③可進(jìn)行資料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理與成圖解釋;④成本低,效率高[2].

(2)探測(cè)方式

高密度電阻率法常用的電極裝置有:①溫納裝置(AMNB),對(duì)接地條件差,供電干擾嚴(yán)重,采用該裝置有一定的優(yōu)勢(shì)[4];②偶極裝置(ABMN);③微分裝置(AMBN);④施倫貝爾裝置(A-MN-B),也可采用二極、三極、自電、充電裝置等.高密度電阻率法的觀測(cè)方式分為兩類:剖面類觀測(cè)和測(cè)深類觀測(cè).

只要場(chǎng)地條件許可,盡量采用剖面類觀測(cè)方式,尤其是首選溫-施剖面裝置,因?yàn)檫@種觀測(cè)方式真正集中了電剖面和電測(cè)深法的優(yōu)點(diǎn),其采集點(diǎn)分布更均勻合理,在不少場(chǎng)合、不同要求的勘探項(xiàng)目中都可以取得好的效果.如果條件許可,盡可能采用多種裝置方式進(jìn)行測(cè)量,因?yàn)槊糠N排列方式的供電電極和測(cè)量電極位置不同,對(duì)異常體的分辨能力和探測(cè)深度有很大的關(guān)系.針對(duì)地形地質(zhì)條件和不同的探測(cè)目的,選取合理的裝置排列是取得良好探測(cè)效果的關(guān)鍵.

2 野外工作及數(shù)據(jù)處理

(1)野外工作

野外測(cè)線布置是探測(cè)工作的重要前提,測(cè)線要盡量保持一條直線,并垂直于探測(cè)地質(zhì)體的走向.測(cè)線彎度過(guò)大、過(guò)急均會(huì)影響到探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量.

接地電阻的大小也對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)有很大的影響,一個(gè)電極接地電阻過(guò)大,會(huì)影響一組數(shù)據(jù),不利于后期資料的處理和解釋.故保持每個(gè)電極的接地電阻大小相當(dāng),才能保證采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù).通常采用澆水(或鹽水)、加大深度、挖坑填土、增加電極、堆土和小范圍移動(dòng)的方法來(lái)減小接地電阻,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量.如果某個(gè)電極接地電阻過(guò)大,后期剖面圖像會(huì)出現(xiàn)"對(duì)稱雙八字"干擾異常.

(2)數(shù)據(jù)處理

高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理軟件主要有:吉林大學(xué)Geogiga RTomo數(shù)據(jù)處理軟件、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)研制的2.5維電阻率成像系統(tǒng)、河北廊坊中石油物探所的"電法工作站"和瑞典的Res2dinv數(shù)據(jù)處理軟件.其數(shù)據(jù)處理模塊大體類似,處理之前均需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,主要處理流程包括壞點(diǎn)剔除、水平垂直圓滑濾波、設(shè)置深度調(diào)整系數(shù)、地形改正和反演.根據(jù)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,不同的裝置宜采用不同的數(shù)據(jù)處理參數(shù),方可達(dá)到最佳探測(cè)效果.這需要認(rèn)真分析地形地質(zhì)條件、干擾因素、水文條件等資料,也需要經(jīng)驗(yàn)積累.

原始數(shù)據(jù)等值線剖面圖是數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的中間圖件,在解釋工作中不應(yīng)忽視,好的原始數(shù)據(jù)剖面圖上可直接清楚地反映出異常.在有條件情況下,可以使用兩種以上軟件進(jìn)行反演處理,反演結(jié)果剖面圖要對(duì)比分析,再結(jié)合實(shí)際地質(zhì)、水文等條件、參考原始數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行綜合解釋,使解釋結(jié)果合理.

對(duì)于地形平緩、接地條件好和數(shù)據(jù)質(zhì)量高的剖面,其反演成果剖面可信度高;對(duì)于接地條件差和原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的數(shù)據(jù),其反演成果剖面往往會(huì)誤導(dǎo)解釋結(jié)果,此時(shí)要多參考原始數(shù)據(jù)等值線剖面圖.通常情況下,地層分層、定性分析多用視電阻率剖面(原始數(shù)據(jù));對(duì)于局部采空異常,則用反演剖面進(jìn)行范圍圈定較好.

3 探測(cè)實(shí)例

(1)門頭溝南港采空區(qū)探測(cè)

工作區(qū)處于門頭溝中部的低山區(qū),總體地勢(shì)南高北低,地表分布有第四系松散覆蓋層.出露地層為侏羅系南大嶺組(J1n)和窯坡組(J1y),南大嶺組巖性為暗綠色玄武巖,夾凝灰?guī)r、火山角礫巖、砂巖和頁(yè)巖等;窯坡組是含煤地層,巖性為深灰-灰黑色含礫粗砂巖、石英砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層.區(qū)內(nèi)地層總體為單斜構(gòu)造,地層產(chǎn)狀170°∠20°.可采煤層有一、二、五、七、九槽煤,煤層厚度變化較大,0～8.27m,均厚0.95～1.90m.解放前該地區(qū)煤礦己大量開(kāi)采,改革開(kāi)放后,個(gè)人和集體有大量開(kāi)采,最大的集體馬各莊煤礦已于兩年前停采.工作區(qū)內(nèi)有孔隙水、構(gòu)造裂隙水和風(fēng)化裂隙水巖組,井田開(kāi)采后,地下水由巷道排泄,目前地下水位較大.

測(cè)線垂直于煤線方向近南北向布置,共布置電極60根,間距10m,采用溫納排列裝置.現(xiàn)場(chǎng)接地條件較好,接地電阻均小于1kΩ,采集數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠.后經(jīng)Res2dinv數(shù)據(jù)處理軟件地形改正、濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖1).

從視電阻率剖面圖上分析:①整體電阻率值較高,均值 1600Ω.m左右,反映出地下巖體干燥不含水的特性.②局部出現(xiàn)了大于4000Ω.m的高阻異常區(qū),其中測(cè)線170～220m處深70m存在一封閉高值異常區(qū),最高值8500Ω.m,推測(cè)為一采空區(qū).③測(cè)線415～440m處深20m的一封閉高值異常區(qū),最高值達(dá)10000Ω.m,推測(cè)為一淺部小窯采空區(qū).④測(cè)線165m、225m、260m處深20m的3個(gè)封閉高值異常區(qū),視電阻率值不是很高,僅有3000Ω.m,推測(cè)為淺部小窯采空區(qū)坍塌后充填泥沙.

該測(cè)線采空異常清晰,深部、淺部異常效果良好,是典型的采空區(qū)高阻異常反映.在測(cè)線175m處曾進(jìn)行過(guò)鉆探施工,在60m處遇到了采空區(qū),凈高4m,驗(yàn)證了該異常的準(zhǔn)確性,證明了高密度電阻率法探測(cè)采空的有效性.

(2)門頭溝圈門采空區(qū)探測(cè)

圈門地處門頭溝西部黑河溝谷內(nèi),地形北高南低,坡度小于5°,地表有松散堆積物(沖洪積物)覆蓋;地層有中生界的窯坡組(J1y),地層產(chǎn)狀為355°∠25°,巖性以中厚層砂巖為主,夾粉砂巖和泥巖,礫巖,含5層可采煤層,厚度0～2.6m.該區(qū)煤礦開(kāi)采歷史久遠(yuǎn),淺部分布大量小窯采空區(qū),深部存在國(guó)礦采空區(qū).由于該區(qū)域地勢(shì)較低,國(guó)礦門頭溝煤礦已停采十多年.

測(cè)線垂直于煤層走向近南北向布置,共布置電極60根,間距5m,采用溫納和施倫貝爾排列裝置.現(xiàn)場(chǎng)接地條件較好,接地電阻均勻介于2～3kΩ,采集數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠.后經(jīng)Res2dinv數(shù)據(jù)處理軟件濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖2).

從視電阻率剖面圖上分析:①表層電阻率值較高,均值 150Ω.m左右,是地表松散堆積物的反映.②局部出現(xiàn)了1Ω.m的封閉低阻異常區(qū),如測(cè)線60～85m處深20m、170～195m處深25m和215～240m處深15m存在3個(gè)異常區(qū),最低值0.24Ω.m,推測(cè)為3個(gè)淺部小窯采空區(qū),存在積水.③測(cè)線100～150m處深20m以下的一半封閉低值異常區(qū),推測(cè)為一淺部小窯積水采空區(qū).該剖面也是典型的低阻異常積水采空反映剖面.

該測(cè)線溫納裝置剖面(圖3),其表層電阻率的高阻特征反映了淺表松散堆積物,深部的低值異常范圍較大,橫向分辨率不及施貝排列剖面.這是因?yàn)闇丶{裝置電極排列AM=MN=NB=nX5m(n為正整數(shù)),而施貝裝置電極排列MN=5m、AB=nX5m(n為正整數(shù)),也就是在相同AB供電間距的情況下,施貝裝置要比溫納裝置橫向多采樣n-1個(gè)點(diǎn),其橫向分辨率明顯提高.因此,對(duì)于淺部小采空異常,施倫貝爾排列優(yōu)于溫納裝置,可以取得更好的探測(cè)效果.

在測(cè)線225m處進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,堆積物厚5m,在14.7m處遇到采空,采空高1.3m.采空充填物為碎石、碳質(zhì)淤泥(含水).濕的淤泥表現(xiàn)為低電阻率,由此可見(jiàn),圖像解釋時(shí)判定低值異常為采空區(qū)是正確的.

(3)平谷上鎮(zhèn)金礦采空區(qū)探測(cè)

工作區(qū)處于平谷區(qū)北部的低山丘陵區(qū),地勢(shì)總體較平坦,北高南低,地形坡度3°,地表為松散層覆蓋,雜填土和粘質(zhì)粉土.出露地層為太古代密云群沙廠組(Ary),巖性為黑云母角閃片麻巖.含金石英礦脈產(chǎn)狀20°∠30°,分布密集,間隔3～30m,脈厚2～100cm.該地區(qū)金礦開(kāi)采歷史較長(zhǎng),形成一定規(guī)模的地下采空區(qū).金礦采空區(qū)不同于煤礦采礦區(qū),其開(kāi)采范圍小,頂部圍巖不易冒落.工作區(qū)內(nèi)有構(gòu)造裂隙含水巖組和風(fēng)化裂隙含水巖組,目前地下水位較深,35m以下.

測(cè)線垂直于金礦脈走向布置,共布置電極60根,間距5m,采用溫納排列裝置.現(xiàn)場(chǎng)接地條件較好,接地電阻均在2kΩ左右,采集數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠.后經(jīng)Res2dinv數(shù)據(jù)處理軟件濾波、最小二乘反演等處理后,生成高密度電阻率法視電阻率剖面圖(圖4).

從視電阻率剖面圖上分析:①淺部松散覆蓋層呈低阻反映,視電阻率值小于120Ω.m,反映出覆蓋層西側(cè)厚東側(cè)薄的分布特征.②深部巖體呈高阻反映,視電阻率值在400Ω.m左右.③在測(cè)線200～235m處深0～29m存在一半球形低值異常區(qū),該區(qū)域地面發(fā)現(xiàn)有塌陷坑,故推測(cè)該區(qū)域?yàn)橐徊煽諈^(qū),低電阻率反映采空區(qū)充水.

該測(cè)線采空異常為半封閉低阻異常,結(jié)合地表調(diào)查結(jié)果判定為采空區(qū).后在測(cè)線218m處鉆探施工,在11.3m深處遇到了采空區(qū),凈高2.7m,底部含碎石、粘土(濕).驗(yàn)證了該低阻異常為采空.并依據(jù)此異常確定了采空區(qū)的橫向邊界.

4 結(jié)語(yǔ)

采空區(qū)高密度電阻率法探測(cè)取得良好的效果,從開(kāi)始測(cè)線布置、電極裝置、數(shù)據(jù)處理到最后剖面解釋,每個(gè)過(guò)程都需要處理好技術(shù)要點(diǎn).高密度電阻率法探測(cè)的異常沒(méi)有固定模式,高阻、低阻異常都可能是采空區(qū),封閉或半封閉也是異常的特征之一.所以,異常解釋中一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地電條件、干擾因素,緊密結(jié)合地表、地質(zhì)、水文等情況進(jìn)行綜合分析,才能做到準(zhǔn)確結(jié)論.

[1]傅良魁等,電法勘探教程[M],北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2]李金銘,《地電場(chǎng)與電法勘探》,北京:地質(zhì)出版社, 2005.

[3]謝忠球等,提高高密度電阻率成像分辨率的數(shù)據(jù)處理技術(shù),湖南省地球物理論叢(2001).

[4]李清林等,《地電成像及其在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究》,北京:地震出版社,2010.

[5]北京市地質(zhì)研究所,《北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村地下采空勘查報(bào)告》,2008.

[6]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局,北京市地質(zhì)研究所.《北京門頭溝規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查報(bào)告》,2010.