高密度電法在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

李家春

高密度電法在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

李家春

(廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，廣州 512028)

高密度電法在許多工程勘察中有著廣泛的應(yīng)用，如地基勘察、地裂縫探測(cè)、巖溶塌陷、采空區(qū)調(diào)查及其他方面，均能發(fā)揮重要作用，本文著重討論其在采空區(qū)方面的應(yīng)用，說(shuō)明其可行性、合理性。

高密度；電法；采空區(qū)；勘察

1 引言

高密度電法是近代發(fā)展起來(lái)的一種電阻率法，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐探索，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)開發(fā)及工程建設(shè)中，其原理與常規(guī)電阻率法完全相同，但也有著自身的獨(dú)特性。

高密度電法具有電距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點(diǎn)，反演的斷面圖能直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀、埋藏深度等。通過(guò)斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，可以較準(zhǔn)確地推測(cè)出地質(zhì)體空間形態(tài)情況、地層巖性、斷裂等情況。

高密度電法探測(cè)成本低、效率高，地電信息豐富且探測(cè)精度高，而且能做定量解釋，在適合探測(cè)區(qū)域內(nèi)能夠達(dá)到非常好的效果。

高密度電法異常特點(diǎn)明顯，對(duì)于解決采空區(qū)及其他孤立地質(zhì)體，可以得到清晰、直觀的二維效果。由于高密度電法在煤礦采空區(qū)勘察中有著上述顯著特點(diǎn)，故本次勘察采用高密度電法，最后輔以鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

2 采空區(qū)的形成

所謂采空區(qū)是指地下礦體采出后所留下的空間區(qū)域[1]。當(dāng)?shù)V體(如煤、金屬礦石等)從地下被采出來(lái)后，上部覆巖失去支撐而導(dǎo)致平衡破壞，應(yīng)力重新分布，以期達(dá)到新的平衡。在此過(guò)程中，采空區(qū)上部巖體變形和移動(dòng)會(huì)向上波及地表，地層內(nèi)部巖石的強(qiáng)度和內(nèi)聚力會(huì)大大降低，并在地表呈現(xiàn)出塌陷、裂縫和臺(tái)階等多種形式，并形成地表移動(dòng)盆地，我們將其稱之為采動(dòng)區(qū)[2]。

3 采空區(qū)的電性特征

通常情況下，視電阻率值以采空區(qū)(空洞)為最高，其次是石灰?guī)r、煤層，泥巖及沖水巖溶裂隙巖層為最低。電阻率值大小依次為:采空區(qū)(空洞)>灰?guī)r>砂巖>泥巖(含水裂隙巖層) >煤層。

本次所列舉實(shí)例為灰?guī)r地區(qū)煤礦采空區(qū)勘察，工作區(qū)各巖層常規(guī)物性特征如下：煤層100～30 Ω·m；薄層灰?guī)r、粗砂巖300～1000 Ω·m；泥巖含水30～100 Ω·m；石灰?guī)r300～2000 Ω·m；第四紀(jì)覆蓋層一般在40～70 Ω·m；含水(砂巖、黃土)<30 Ω·m；雨水>100 Ω·m。上述僅是不同巖層的常規(guī)值，當(dāng)巖層有各種松散的裂隙、孔隙存在，且含有地下水時(shí)，將會(huì)改變?cè)瓉?lái)的物理特性，使其電阻率急劇下降。這種變化程度正比于松散、裂隙中的含水強(qiáng)弱。煤層被采空后，在煤層上下巖層間形成一定的空隙，破壞了巖石的完整性、連續(xù)性，故該處電阻率值明顯高于周邊完整巖石處的電阻率，表現(xiàn)出明顯的局部高阻特性，當(dāng)采空區(qū)的空隙被水充填，其電阻率呈低阻反映，這些特性成為高密度電法探測(cè)地下采空區(qū)良好的地球物理勘探前提。

4 高密度電法勘探原理

高密度電阻率法是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法，根據(jù)在施加電場(chǎng)作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，獲得地層中的電阻率分布情況，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況。

5 野外數(shù)據(jù)采集

本次高密度電法勘探采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，共布設(shè)4條電法勘探測(cè)線，采用溫納裝置，60道電極測(cè)量，供電時(shí)間0.5 s，在相鄰的兩個(gè)剖面之間重合30個(gè)電極，測(cè)量前進(jìn)行接地電阻檢測(cè)，檢測(cè)值均小于2 kΩ·m。

6 數(shù)據(jù)處理[4]、解釋及成果說(shuō)明

高密度電法資料處理先將儀器內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，運(yùn)用RES2DINV高密度電法反演軟件進(jìn)行壞點(diǎn)刪除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換及反演計(jì)算等步驟，再利用Surfer軟件可直接繪制成視電阻率等值線圖。在等值線圖上根據(jù)視電阻率值的變化特征，結(jié)合鉆探、地質(zhì)調(diào)查資料作出地質(zhì)解釋，最后利用繪圖軟件AutoCAD繪制出物探成果解釋圖。在此選?、?Ⅰ′、Ⅲ-Ⅲ′兩條測(cè)線剖面圖進(jìn)行成果說(shuō)明，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 芙蓉山隧道Ⅰ-Ⅰ′勘探線物探成果剖面圖

圖2 芙蓉山隧道Ⅲ-Ⅲ′勘探線物探成果剖面圖

測(cè)線Ⅰ-Ⅰ′、Ⅲ-Ⅲ′所在區(qū)域：上層為松散覆蓋層，主要為殘、坡積土，全風(fēng)化層等，土質(zhì)松散，穩(wěn)定性差，該層視電阻率一般較低；下層為中風(fēng)化層，主要為中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r，砂巖、泥巖和泥灰?guī)r互層，巖質(zhì)較硬，節(jié)理、裂隙稍發(fā)育，穩(wěn)定性較好；該層視電阻率遠(yuǎn)高于松散覆蓋層，視電阻率隨風(fēng)化強(qiáng)度減弱逐漸增高。

圖1所示，測(cè)線Ⅰ-Ⅰ′，zk1+660～685，深度8～26 m，面積約200 m2存在一明顯低阻區(qū)域，并貫穿于覆蓋層和中風(fēng)化層，視電阻率值為2.5～28.5 Ω·m。上部藍(lán)色條狀區(qū)域?yàn)椴煽障锏?，下部更為寬廣的面狀區(qū)域?yàn)槊旱V采空區(qū)域。

圖2所示，測(cè)線Ⅲ-Ⅲ′，zk1+500～570，深度7～38 m，面積約458 m2；zk1+620～700，深度5～31 m， 面積約286 m2存在兩處明顯低阻區(qū)域，并貫穿于覆蓋層和中風(fēng)化層，視電阻率值分別為3.7～27.3 Ω·m，3.3～26.7 Ω·m。上部藍(lán)色條狀區(qū)域?yàn)椴煽障锏?，下部更為寬廣的面狀區(qū)域?yàn)槊旱V采空區(qū)域。

經(jīng)過(guò)后期鉆孔驗(yàn)證，均證實(shí)上述區(qū)域存在煤礦采空區(qū)，內(nèi)部含有殘留某礦，并含有含水充填物。

7 結(jié)論與建議

本文通過(guò)一個(gè)成功的工程案例主要探討了高密度電法在煤礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用，并且在后期的鉆探中得到了驗(yàn)證，為下一步工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。由此可以看出在此類工程勘察中采用高密度電法是可行的，并且在某些方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本次成功應(yīng)用的前提是具有合理的條件：①合理電極距的選擇，在前期野外調(diào)查中，大致了解了開采情況，最終確定了5 m的勘探間距；②場(chǎng)地條件較好決定了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量；③數(shù)據(jù)處理，避免人為因素的影響使得正確的數(shù)據(jù)點(diǎn)因被剔除而導(dǎo)致無(wú)法得到正確的反演圖；④結(jié)合已知的各種地質(zhì)資料，對(duì)反演圖進(jìn)行正確的物探解譯。

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2016-12-22

李家春(1967-)，江西南康人，廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院工程師，廣東省廣州市花都區(qū)天貴路68號(hào)，Tel：13826379911，E-mail：524043105@qq.com。

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