高密度電阻率法在老煤窯采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

王守興 祁堯剛 歐立鵬

摘 要：為了探明采空區(qū)位置，消除采空區(qū)對后期生態(tài)環(huán)境修復(fù)的影響，結(jié)合地質(zhì)條件、地表可見塌陷坑、地球物理特性和高密度電阻率法的優(yōu)勢，在調(diào)查區(qū)開展了對采空區(qū)的勘探工作。通過認(rèn)真分析采集的數(shù)據(jù)和反復(fù)推斷，最終查明調(diào)查區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布，同時也驗證了高密度電阻率法在老煤窯采空區(qū)勘探中的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法;采空區(qū);煤礦

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）05-027-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.013

黃河作為中華民族的母親河，孕育了世代中華兒女，保護(hù)黃河流域，促進(jìn)黃河的高質(zhì)量發(fā)展，是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千年大計。隨著國家相關(guān)政策的逐步落實，黃河流域礦集區(qū)整治和治理的腳步逐漸加快。在此過程中，一些未探明的采空區(qū)為礦山環(huán)境后期治理恢復(fù)工作帶來了一定的隱患，而高密度電阻率法在采空區(qū)探明工作中，具有成本低、效率高、快捷、直觀的特點，能更真實地反映地表以下地層結(jié)構(gòu)特征，同時也是采空區(qū)探查中運用最廣泛的方法之一。

1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是電法測量中的一種，其采用了多電極、高密度一次布極，并實現(xiàn)了跑極和數(shù)據(jù)采集的自動化，因而比常規(guī)的電阻率法具有更多優(yōu)點：

在同一剖面上，通過電極變換，可以獲得斷面不同深度電阻率等值線圖，且隨著電極的轉(zhuǎn)換測量深度逐漸增加，可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時資料處理和成圖解譯。常用的裝置形式主要有溫納裝置、偶極裝置和微分裝置，其中溫納裝置（即對稱四極裝置）的橫、縱向分辨率相比偶極裝置和微分裝置較高，本次勘測工作也主要運用了該裝置[1-2]。

2 地質(zhì)區(qū)域背景

調(diào)查區(qū)地層劃屬華北—柴達(dá)木地層大區(qū)，衛(wèi)寧北山—香山晚古生代前陸—上疊盆地，衛(wèi)寧北山褶皺帶。衛(wèi)寧北山地區(qū)是一個多構(gòu)造復(fù)合區(qū)，區(qū)域構(gòu)造主體行跡以東西向為主，西部以東西向或近東西向為主，東部以北西向、南北向為主。

羊虎溝組（C2y）：其為該區(qū)主要含礦地層，巖性主要為石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖（或粉砂質(zhì)泥巖）、灰黑色頁巖夾灰?guī)r和煤線。巖層發(fā)育交錯層理、板狀和槽狀交錯層理、小型斜層理，屬淺海-海岸沉積[3-4]，第四系高阻特性的風(fēng)積層大范圍分布于該區(qū)域地表。

3 地球物理特征

第四系呈現(xiàn)中—高阻性，砂巖呈現(xiàn)高阻性，炭質(zhì)頁巖及煤層呈現(xiàn)中低阻性，采空區(qū)及其冒落帶含泥水較大，呈現(xiàn)中高阻背景值中的低阻特征。采空區(qū)塌陷后由于上部巖層穩(wěn)定性遭破壞，形成冒落帶或小規(guī)模斷裂帶，采空區(qū)與非采空區(qū)在電阻率上的差異由此顯現(xiàn)。采空區(qū)內(nèi)未充水，其電阻率為高阻特征;采空區(qū)內(nèi)充水，其電阻率為低電阻特征;同時，采空區(qū)內(nèi)散落的淤泥等潮濕填充物也會引起低電阻率[5]。

如表1所示，從調(diào)查區(qū)電性參數(shù)可得，區(qū)內(nèi)巖性電阻率測定值：第四系一般為16Ω·m～61Ω·m;炭質(zhì)頁巖及煤1.5Ω·m～10Ω·m;粉砂巖38Ω·m～74Ω·m;石英砂巖23Ω·m～130Ω·m;采空區(qū)<1Ω·m。

4 野外數(shù)據(jù)采集

本次高密度電阻率法勘查，采用深圳賽贏地脈公司生產(chǎn)的GD-10型高密度電阻率法測量系統(tǒng)。調(diào)查區(qū)共布設(shè)高密度電阻率法測量剖面7條，剖面布設(shè)方位30°。其中，5m點間距剖面2條;10m點間距剖面5條;平均線間距為350m。數(shù)據(jù)采集參數(shù)：電極總數(shù)120根，采集24層，采集裝置為溫納排列，最大供電電壓240V，最大供電電流2A。巖層走向近東西，傾角40°～60°之間，地表可見串珠狀塌陷坑。

5 數(shù)據(jù)處理及成果解釋

先用GD-10型儀器將所采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機中，再用Geogiga RImager軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑預(yù)處理并進(jìn)行反演。

測線WTL05發(fā)現(xiàn)：

上部埋深0～20m，電阻率大于16Ω·m，解釋推斷為第四系覆蓋層粉砂粘土中含少量碎石塊;部分電阻率大于110Ω·m的高阻，解釋推斷為高地勢基巖裸露;局部電阻率小于10Ω·m的低阻，解釋推斷為炭質(zhì)頁巖。

中部電阻率小于5Ω·m，明顯為中低阻區(qū)，該區(qū)域為炭質(zhì)頁巖及煤層;其中，在電極19、47、81號電極對應(yīng)的正下方為低電阻率區(qū)，其電阻率小于1Ω·m，相對應(yīng)的埋深為75m、90m、100m，推斷為采空區(qū)位置（充水、泥漿）。

在26～35號電極和54～70號電極所對應(yīng)下方為高電阻率區(qū)，且高阻體均有向北傾的趨勢，與地表可見巖層產(chǎn)狀相符，解釋推斷為砂巖夾粉砂巖。

測線WTL01發(fā)現(xiàn)：

上部埋深0～10m，電阻率大于16Ω·m，解釋推斷為第四系覆蓋層粉砂粘土中含少量碎石塊;部分電阻率大于80Ω·m的高阻，解釋推斷為高地勢基巖裸露;局部電阻率小于10Ω·m的低阻，解釋推斷為含炭質(zhì)頁巖。

中部電阻率小于10Ω·m，明顯為中低阻區(qū)，該區(qū)域為炭質(zhì)頁巖及煤層;其中，在電極51、85號電極對應(yīng)的正下方為低電阻率區(qū)，其電阻率小于1Ω·m，相對應(yīng)的埋深為85m、95m;在地表51～53號電極之間可見有塌陷坑，結(jié)合地表現(xiàn)象解釋推斷該低阻區(qū)為采空區(qū)位置。

將物探斷面圖中電阻率小于1Ω·m的低阻區(qū)解釋為采空區(qū)的依據(jù)：首先，調(diào)查區(qū)內(nèi)煤礦均為停產(chǎn)多年的老窯，通過走訪和資料查閱得知，在煤礦正常生產(chǎn)期間有小規(guī)模涌水現(xiàn)象;其次，地表可見有串珠狀塌陷坑，且在物探反演斷面圖中的低阻區(qū)與地表塌陷坑位置相對應(yīng)。

通過對7條剖面的分析和采空區(qū)特征的總結(jié)，將7條剖面做成三維斷面圖，通過圖1所示的三維斷面可以看出，調(diào)查區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布在南北兩側(cè)且在東西向有較好的延伸。通過鉆孔驗證，高密度電阻率法推斷的采空區(qū)位置與鉆孔驗證的位置相符。

6 結(jié)語

通過本次勘察工作，可以得到以下結(jié)論：

經(jīng)過對7條剖面的認(rèn)真分析、反復(fù)解釋，結(jié)合已知的地質(zhì)資料確認(rèn)了調(diào)查區(qū)內(nèi)采空區(qū)的位置及分布。采空區(qū)具有東西向較好的延伸性，西側(cè)埋深85m～95m，東側(cè)埋深110m～120m;就其形態(tài)而言，東西兩側(cè)較寬，中部較窄，呈“葫蘆”形分布。

高密度電阻率法在老窯采空區(qū)勘探中是可行和適用的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[2] 韓錫勤，程邈，林松.高密度電法在某防空洞勘探中的應(yīng)用[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，30（4）：165-166.

[3] 王成，程建華，孟方，等.中國區(qū)域地質(zhì)志·寧夏志[M].北京：地質(zhì)出版社，2017.

[4] 李天斌.寧夏南部弧形推覆構(gòu)造帶特征及演化[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，1999，5（3）：22-27.

[5] 張鳳祥，張弘，馮磊，等.高密度電阻率法在某采空區(qū)勘探中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2019，6（4）：52-53.