高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用

盛小龍

摘要：對高密度電法的基本原理及特點進(jìn)行了分析，并結(jié)合山西某煤礦的環(huán)境整治工程，論述了高密度電法的一般工作過程及注意要點，包括其測線布置、電極排列、測量裝置選擇，以及數(shù)據(jù)處理與輸出等等。并總結(jié)了高密度電法在工程勘探中的優(yōu)點和劣勢。

關(guān)鍵詞：高密度電法;工程勘探;煤礦環(huán)境整治

Application of High Density Electrical Method in Engineering Investigation

SHENG Xiao-long

（Jiangxi Survey and Design Institute，No.169 Ziyang Avenue，Changdong University Campus，High-tech Development Zone，Nanchang City，Jiangxi Province;330200）

Abstract：The basic principle and characteristics of high-density electric method are analyzed. Combined with the environmental remediation project of a coal mine in Shanxi，the general working process and points of attention of high-density electric method are discussed，including its line layout，electrode arrangement and measuring device selection.，as well as data processing and output，and more. And summarize the advantages and disadvantages of high-density electrical method in engineering exploration.

Key words：high-density electrical method;engineering exploration;coal mine environmental remediation

引言

我國目前的能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主，存在著許多煤礦采礦區(qū)，由于對于煤礦這類自然資源的開采。往往會破壞當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?，破環(huán)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成新的地質(zhì)問題。開采沉陷引發(fā)的地面塌陷、地裂縫等問題突出，是造成區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境惡化的最主要因素。在這些煤礦開采地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境整治和災(zāi)害預(yù)防工作的前提。綜合物探技術(shù)是獲得現(xiàn)場地質(zhì)資料的重要技術(shù)手段。

工程中物探的方法有很多中，根據(jù)其運用的物理場分類主要有：彈性波探測法及電（磁）法探測法等等。并且以這兩種方法為基礎(chǔ)，還發(fā)展出許多相關(guān)的探測方法和手段^[1]。

目前，在煤礦采空區(qū)進(jìn)行物探勘察的方法主要為鉆探和物探結(jié)合的方法。常用的物探方法有：地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、淺層二維（三維）地震法、高密度電法、大地電磁法和測氡法等等。各種探測方法各有其適用條件及特點，在實際運用中也能得到相應(yīng)的地質(zhì)資料。下面將結(jié)合具體工程實例介紹鉆探及高密度電法的物探方法^[2]。

1 ?工程概況

根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，礦井水處理站場地存在煤礦采空區(qū)，采空厚度約4.3m，煤層頂板距地面20m左右，采深采厚比為3.37，小于30在綜合處理間及中間水池附近已發(fā)現(xiàn)數(shù)條裂縫，明顯可見的裂縫有2條，大體為南北方向，裂縫長度約為4m，寬7～15cm左右。因此，需對采空區(qū)進(jìn)行治理。

礦井水處理站北側(cè)存在一處崩塌危巖體，近東西走向，巖層高陡直立。崩塌危巖體橫寬約150m、縱高約20～40m、厚度約5～15m、體積約1.2×104m3，崩塌方向31°，屬中型巖質(zhì)崩塌。

礦區(qū)筒倉南側(cè)及北側(cè)邊坡堆積大面積坡體松散物并裸露于地表，遇到暴雨或者連陰雨，坡面溝壑縱橫交錯，殘坡積土順坡面流入廠區(qū)。因此，需對筒倉南北側(cè)邊坡進(jìn)行治理。

2 ?高密度電法

2.1 ?工作原理

高密度電法實際上是一種電阻率法，它通過儀器觀測圍巖及礦物之間的電阻率差異，并且通過相關(guān)軟件分析和研究這些電阻率差異在空間上的變化規(guī)律及分布特點，從而找出地下存在的不均勻電性體（如滑坡體、風(fēng)化層、巖溶等）并且得出工程的地質(zhì)構(gòu)造情況^[3]。

高密度電法是在電測剖面法和垂向直流電測深法的基礎(chǔ)上研制出的。高密度電法在同一條多芯電纜上具有多個連結(jié)的電極，通過測量系統(tǒng)中的軟件，能夠自動組成多個不同深度或多個垂向測深電的探測剖面。在選定探測裝置類型之后，系統(tǒng)就能按照探測剖面的深度順序或者測深電的位置順序，進(jìn)行逐點或逐層探測^[4]。在采集到測點數(shù)據(jù)后，先利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和地形矯正等預(yù)處理手段后繪制等值斷面圖，再通過二維反演并結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)資料對地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行綜合推斷。

2.2 ?高密度電法的特點及優(yōu)勢

與高密度電法相比，常規(guī)的電剖面法和電測深法，鋪設(shè)導(dǎo)線后只對一個記錄點進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。如果在工程實踐中遇到目標(biāo)規(guī)模較小而且埋深較淺的情況，常規(guī)電法顯得效率低下^[5]。

高密度電法與常規(guī)電法相比它提高了數(shù)據(jù)的采集密度，提高了自動化程度，從而提高工作效率。高密度電法通過程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測儀，來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動化采集和處理。先進(jìn)電子技術(shù)的采用，提高了電法勘探的智能化程度，它具有以下優(yōu)勢：

（1）通過內(nèi)部電極程控程序，實行不同電極排列方式的掃描測量，只要完成一次導(dǎo)線布置，就能獲得大量的地質(zhì)斷面構(gòu)造信息。

（2）數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)自動化或半自動化，減少人工操作帶來的錯誤，提高工作效率。

（3）將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后能夠顯示剖面曲線形態(tài)，并能夠繪制斷面剖面圖，更加直觀，便于進(jìn)行綜合推斷。

3 ?高密度電法的實際應(yīng)用

3.1 ?測線布置

根據(jù)相關(guān)的勘察報告及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，將測線大致沿礦區(qū)道路垂直布置，盡量覆蓋所需勘察范圍，重點針對礦區(qū)的煤礦采空區(qū)及北側(cè)的危巖崩塌體，從而獲得該環(huán)境整治區(qū)域的地質(zhì)信息，為工程勘察及施工整治提供依據(jù)。具體測線布置如下圖2所示：

3.2 ?電極排列方式

高密度電法最初的電極排列方式只有α，β，γ三種，而發(fā)展到現(xiàn)在，已有十幾種排列方式，基本都是由對稱四級（施倫貝格，Schlumberger）、偶極（dipole-dipole）、三極（pole-dipole）、二極（pole-pole）的排列方式衍變而來（其中γ排列方式無變種）。例如：

當(dāng)AM = MN = NB 時，Schiumberger 排列就變成α排列;當(dāng)AB = BM = MN 時，偶極排列就變成β排列;對于三極排列，就有 AMN，MNB，AM = MN 和AM≠MN 等四種^[6]。

3.3 ?探測裝置選擇

在實際的勘測過程中，我們還要考慮到地下地質(zhì)體的垂向和橫向變化，以及所需的探測深度、信號可靠性等問題，并以此來選擇探測探測裝置。根據(jù)以往工程的數(shù)據(jù)對比和經(jīng)驗，溫納裝置是常用的一種測量裝置，它對垂向變化比水平方向變化所反映的靈敏度要高，抗干擾能力強且耗時較少，該裝置在探測垂向變化的地質(zhì)問題（如水平層狀結(jié)構(gòu)）上比較有利，而對水平變化的地質(zhì)問題（如狹窄垂向結(jié)構(gòu)）探測相對較差。因此，我們綜合采用溫納—施倫貝格的裝置進(jìn)行測量，它對地質(zhì)體的垂向及橫向均有相當(dāng)?shù)撵`敏度，而且數(shù)據(jù)覆蓋程度好^[4]。

3.4 ?數(shù)據(jù)處理與反演

在用高密度電法進(jìn)行勘測的過程中，鋪設(shè)電極的的接地電阻以及地質(zhì)噪音等因素會對測量結(jié)果造成干擾。為此，要先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。其中，數(shù)據(jù)圓滑、濾波處理和地形矯正是數(shù)據(jù)預(yù)處理常用的方法，但是一般只對溫納四極排列（α和施倫貝格排列）進(jìn)行處理，因為偶極排列異常和地質(zhì)電性體之間有較為復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)圓滑一般采用剔除干擾點及圓滑平均等等。

數(shù)據(jù)的處理一般用RES2DINV高密度電法處理軟件進(jìn)行，還能完成自動成圖的工作^[7]。數(shù)據(jù)處理的流程如下圖所示：

高密度電法的數(shù)據(jù)反演主要有計算機(jī)自動二維和三維反演，其中二維反演程序是基于圓滑約束最小二乘法的計算機(jī)反演計算程序，使用了基于準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘新算法，使得大數(shù)據(jù)量下的計算

速度較常規(guī)最小二乘法快10倍以上。

該算法的優(yōu)點在于能夠使阻尼系數(shù)和平面過濾器隨著數(shù)據(jù)類型的不同而調(diào)整，反演程序通過使用該二維模型，把所測量的地下空間體分為許多模型子塊，然后確定這些子塊的電阻率，使得正演計算出的視電阻率擬斷面與實測擬斷面相吻合^[6]。

4 ?結(jié)果輸出與圖示分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理及反演后，需要進(jìn)行電阻率的圖像顯示輸出，便于進(jìn)行人工分析，綜合推斷地質(zhì)構(gòu)造信息。高密度電阻率剖面一般采用擬斷面等值線圖、彩色圖或灰度圖表示，它表征了地電斷面每一測點視電阻率的相對變化，因此在反映地電結(jié)構(gòu)特征方面具有更直觀和更形象的特點。數(shù)據(jù)輸出結(jié)果如下圖所示：

據(jù)電法反演成果可見：測線1在平面65m，深度14～16m處存在高阻封閉異常區(qū)，疑似無充填空洞;測線2在平面68m，深度約19m處發(fā)現(xiàn)高阻異常區(qū);考慮到現(xiàn)場探測條件較差，電極間距及定位精度對探測剖面深度會有一定影響，故剖面中的深度僅供參考。

5 ?結(jié)論

高密度電法對地下地電結(jié)構(gòu)具有高分辨率，是研究淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)行之有效的方法。隨著深部找礦等深部勘探工作的巨大需求，大功率、大探測深度、多參數(shù)測量和一機(jī)多能是高密度電法儀器今后發(fā)展的主要方向。在山區(qū)采用高密度電法對采空區(qū)進(jìn)行探測時，應(yīng)當(dāng)避免地形變化較大的區(qū)域，盡量選擇在地形平坦處布置測線;若必須在地形起伏的地段進(jìn)行高密度電法測試時，建議在滿足探測精度的條件下，選用較大的電極距^[8]。

高密度電法是淺層采空區(qū)探測的有效探測方法，已被廣泛運用。但其仍舊存在一些局限，例如表層低阻異常的屏蔽作用、難以準(zhǔn)確判定異常的規(guī)模和形態(tài)等。在探測條件復(fù)雜的區(qū)域，建議采用多種物探的方式進(jìn)行綜合探測和解釋，提高探測的準(zhǔn)確性。

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（作者單位：江西省勘察設(shè)計研究院）