发表时间：2018-10-27T12:24:21.627Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第18期作者：黄东营
[导读] 密度电阻率法是一种阵列勘探方法，它以岩、土导电性的差异为基础。 广西壮族自治区二七二地质队/广西有勘察设计研究院我们的中华
摘要：过去的一些采煤活动形成的地下采空区会形成不良地质体，极易对地面建筑和人类生活造成地质灾害。目前对采空区的探测可以有多种物探方法，根据实际的采空区的地球物理特征，能够利用高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震勘探、测氡法等物探方法探测其位置和范围，同时配合以钻探验证能，为采空区的治理提供依据，起到良好的经济实用的的效果。本文介绍了高密度直流电法的探测原理及数据处理分析方法，并结合百某变电站煤炭采空区探测实例，通过分析高密度直流电法物探剖面图像形态及高、低阻分布特征，推测采空区分布特征，为采空区的稳定性分析及防治工程措施提供了依据。
关键词：“煤炭采空区探测”
1.高密度直流电法
密度电阻率法是一种阵列勘探方法，它以岩、土导电性的差异为基础，研究在外加稳定电流场的作用下
场地传导电流分布规律。高密度电阻率法不仅能对一定深度范围内电性的横向变化进行全面的勘探，也可以对其进行垂向电性勘探。在工作原理上，高密度电法与常规直流电法保持一致性，都是将地下目标导体导电性的差异性作为评价的基础，在专业高密度电法仪器设备的支持下，通过横向以及纵向勘探观测深层岩土层中的电性差异性，并采集某一深度范围内地质土体横向以及纵向的电性变化数据，通过分析其所采集到的直流电场数据对地下相关介质的电阻率分布进行全面的分析，其主要原理是地下介质构成和分布的不均匀性会导致发射的电流分布发生相应的变化，并进而引起地下介质电位的改变，转换成相应的电阻率，形成多方位投影数据资料，最终反演成像，构建出地下介质分布以及构成的精准结构，为工程建设提供准确的资料支持。
高密度电阻率法装置可以根据实际需要选择，高密度电阻率法采用了电位电极系，电极排列方式有：温纳四极排列、联合三极排列、偶极排列、微分排列。而电极距的选择主要从不良地质体的探测深度与分辨率考虑，理论上是，电极距越大，勘探深度越深，而分辨率就越低。本次探测采用的装置为联合三极排列中的联合剖面法，该装置是由两个三极排列装置AMN∞和MNB∞联合组成，由于它是由两个三极装置组合而成，因此提供了较为丰富的地质信息，受体积勘察效应的影响较小，具有分辨力强，异常明显，可提供电阻率剖面测量对直立电阻率接触面或者含水构造等所引起的电阻率异常的分辨力等优点，在电法勘探中获得广泛应用，缺点是受地形影响较大。
2.区域地质概况
百市位于广西西部即桂西地区，其大地构造位于扬子准地台与华南褶皱系结合部位，右江大断裂自西北向东南贯穿本区，区域构造称为右江再生地槽，而该区域又处于滨太平洋—喜马拉雅两大构造的复合部位。由于特殊的地理位置和特殊的地质构造，造成百市境内地层褶皱发育，断层发育，成矿地质条件优越、沉积了丰富多彩的矿产资源。
本次主要测区为百市某拟建变电站场址，而该测区属丘陵地带，整体为西北高，东南低，相对高差为1.5m。一般标高在117.8～119.3m之间。 测区范围内无基岩出露外，表土较厚，地面植被发育，附近除经济作物芒果树、甘蔗和水稻外，其余为松树林和杂草。场区内地表水体较发育，小溪纵流。
区域内主要发育有一正断层，该断层是主要的结构性断层，断层已经趋于稳定，受区域断层是影响，区域内矿产资源相对比较丰富。测区区主要含煤地层，是本次工作的目的层。主要由浅灰、灰白中厚层状粉砂岩及褐灰泥岩、砂质泥岩、煤层等组成，呈不等厚互层。层厚45～95m，含煤或炭质泥岩质量较低。场地过去几十年主要以当地村民私挖乱采小煤窑为主，形成数量不确定的采空区和软弱层，宽度约5-12米之间，最大深度在80m左右。
煤炭采空区改变和破坏了地层间的重力平衡，容易引发采空区塌陷等地质灾害。煤炭采空区塌陷是由于煤层采空、覆岩破坏引起的，埋藏于地下的煤层被采动、掘空后，矿体上部覆岩的力学平衡就会被打破，在重力和应力作用下，便产生裂隙和断移，地下水乘虚而入，通过裂隙向采空区渗漏，这又加速了覆岩的破坏，引起岩层和地表移动，最终形成了采空塌陷区。
塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使建筑物受损，道路地裂变形，使拟建建筑等重大工程因处理采空区塌陷而增加建设难度和费用。此外，地表裂缝会为地下自然煤层提供充足氧气，地下煤火会使采空区顶板承压减弱，冒落加剧，地裂缝加宽、加长，最终形成“地裂—火区—地表裂陷”的恶性循环。
本次探测主要对场区内进行煤矿及小煤窑采动影响区查明小煤窑采空区范围和巷道的位置、大小、埋藏深度、回填塌落和充水等情况，作为拟建变电站选择址可行性提供技术支持，同时也为评价区地表变形或塌陷引起的其它不良地质作用提供依据。
3.地球物理特征地质调查及探测方案
测区主要地层主要为：第四次残积层土、二叠系的泥岩和砂岩。主要地层从上到下依次为上覆河流冲积层及坡残积形成的第四系残积土，下覆泥岩、砂岩，其中泥岩夹泥煤层，是过去主要的煤炭采空区。测区水文地质条件相对简单，附近沟谷有地表溪水经流，但都低于测区的地面高程，测区的裂隙含水层的主要补给来源于地表流水及季节性雨水。
采空区的地球物理模型：总体上，测区的第四系残积层（浅层裂隙含水层）、泥岩层电阻率为同为低阻区，电阻率几十到800欧姆之间，砂岩层1千多欧姆，煤层的电阻率是十至数千欧姆，这些是测区未开采前的地质背景参考值。煤层开采破坏后第四系残积层的浅层裂隙含水带因受采空区的影响，水体
疏干后形成高阻带为第四系残积层低阻带的高阻异常。同样的场区采空带会形成泥岩层及煤层低阻带的高阻异常。因此，低阻带的高阻异常为我们寻煤炭采空区提供很好的分辨率。
根据现场实际踏勘，集合本地区地质、地形、地貌条件及资料记载，布置了覆盖全区的3条物探探测剖面图（见下图），3条剖面平行相间隔25m。本次测量采用偶极联合剖面装置其中最大AB=590m，电极距为10m基本可以满足最大勘探深度80m的要求。
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数据的采集是成果解释的基础性工作，更是最关键步骤，数据的质量采集直接影响最后的成果解释的准确性。本次探测采用高密度二维电法勘探数据采集采用WGMD5-10A型分布式测量系统，共完成3条测线，共完成测线1770m。采集参数如下：最大开设道数：60道
来易来去难去
最大测量层数：20层
工作及测量方式：联合剖面装置的滚动方式
杭电学报最大供电电压：180V
4.数据分析及推断验证
通过对现场仪器采集的偶极联合剖面装置的数据反演分析整理，得出反演解释成果图见下图。
透明的距离根据反演的成果图，主要的高阻异常主要有：50～80m段，100～130m段，140～170段，210～310m段，310～320m段，500～540m 段。其中，50～80m段，100～130m段，140～170段，310～320m段，500～540m段的高阻异常主要是浅部（深度5～28.6m）推断为第四系残积层裂隙水疏干带形成的异常，而210～310m段推断为为深部（深度44m～85m）泥岩层中煤炭采空区带，该采空区中心带位于2-2’剖面的210～310m段，向1-1’剖面和3-3’剖面两端收窄，采空区的走向与附近的地面沉降开裂走向大致吻合。根据物探对采空区的推断的成果，在2-2剖面260m处布置钻孔，当进尺在46.3～78.8 m时发现该煤炭采空区，基本印证了采用高密度电阻率法查煤炭采空区方法的正确性。同时在1—1剖面305m处布置钻孔，进尺至8.5-15.6m时发现干硬性第四系覆盖土层，该层局部呈现较密集蜂窝状空隙，为物探成果推断浅部第四系残积层裂隙水疏干带区的高阻异常。此次钻探成果都基本印证
了高密度电阻率法高阻异常解释成果的正确性，为后期进一步定量定性的布置钻探提供了可高依据，从经济性和实用性上为拟建的变电站场址的选址，及建筑分布，地基土的治理提供重要可靠资料。
5.总结
高密度电阻率法是查煤炭采空区的一种有效方法，相比单一的钻探查，具有成本低，效率高，抗干扰能力强，数据信息丰富等优点。
该测区煤炭采空区的探测实践表明：高密度电阻率法异常特点明显，在查煤炭采空区上，可以得到清晰、分辨率较高的二维效果。高密度电阻率法的主要特点是：单次采集地质信息量大，数控采集数据快速，微机处理数据直观，抗干扰能力强，易于识别特殊异常，分辨率较高，精度较高。
在地形开阔平坦，地层比较均匀的理想地质环境下，对地下的不良地质体可以做定量解释；当受到地表干扰较大时，则需要利用二维数值计算来解决定量问题，反演推断需要综合已知地质信息，要求探测异常具有较好的分辨率，及时排除干扰因数，才能做出正确的推断，因此，专业技术人员应具备较高地质专业知识。
参考文献
[1]《电法勘探教程》.程志平.冶金工业.2007（05）
[2]电法勘探原理与方法.刘国兴.地质出版社.2005（01）
[3]电法勘探教程.傅良魁.石油地质.1990（05）
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