高密度电法在采空区勘查中的应用

2022-10-07

为查明基本查明山西某电厂扩建工程厂址内的采空区分布形态及深度位置。我单位承担了该物探工作, 方法采用高密度电法, 取得了良好的应用效果。

1 地球物理电性特征

普查区内地层由上之下依次为:第四系黄土及N2红土、二叠系石盒子组砂页岩、石炭系地层、奥陶系中统等组成。区内主要岩层的电性特征为:第四系主要为黄土, 电阻率值小于100Ω·m, 煤系地层呈相对低阻层, 电阻率值为n×10Ω·m, 灰岩的电阻率可达数百欧姆以上。煤层被开采后, 随着时间的推移, 采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷, 造成煤层上覆岩体失去原有的平衡状态, 破坏了岩石的完整性和连续性, 致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙, 故该处电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率;如果采空区内的空隙被水或泥质物充填, 则该处的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率, 表现出一定的低电阻率特征。由以上分析可知, 测区内各地层及岩层之间均有明显的电性差异, 具备地球物理勘探的前提条件。

2 工作方法及仪器选择

本次物探采用高密度电法, 该方法是20世纪80年代才发展起来的一种新型阵列勘探方法, 它是基于静电场理论, 以探测目标体的电性差异为前提进行的。实际上, 它是集电测深与电剖面于一体的勘探方法。实际测量时, 首先保持电极间距离, 在测线上同时移动逐点观测, 所有电极测完一遍后, 在加大电极间距离, 再进行逐点观测, 如此反复直至电极距达到最大。成图后形成一个倒梯形断面图, 既可显示垂向变化, 也可显示横向变化, 即显示的数据为二维数据。高密度电法与传统电阻率法相比, 具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便等优点。

3 资料处理

高密度电法的数据处理主要包括两大部分, 即数据预处理和数据反演处理。数据预处理主要包括:编辑视电阻率值, 对突变点和噪声引起的畸变数据进行剔除;对由多个测量断面组成的剖面进行拼接;把各电极所对应的平面坐标添加到数据文件中;对于地形起伏较大的剖面, 把高程坐标添加到数据文件中, 以备反演处理时进行地形校正处理;反演处理主要包括:根据地质调查资料建立初始的二维地电模型、选择反演参数等, 然后采用最小二乘法进行反演计算, 查看反演结果, 最后进行地形校正, 获得最终的地下地电断面, 用于地质解释。

4 资料推断解释原理

电阻率 (视电阻率) 断面图反映了沿测线方向上地下地质体横向上和垂向上的电性分布变化特征, 根据电阻率 (视电阻率) 等值线或色谱的形态、规模、变化特征及数值的大小, 可以定性或半定量推断地质体或异常的形态、性质等, 这是分析测区采空区的主要图件。本次资料解释工作是在了解该区煤矿以前采空情况, 进行野外实际踏勘采空塌陷位置, 拍照并测量其坐标, 记录其特征, 参照已知部分钻孔资料, 并考虑地形条件影响的基础上开展的, 通过分析认为该区的采空区在电性特征上呈现相对低电阻率, 依其电性特征, 通过分析高密度各测线反演断面图, 确定该区采空区的范围及埋深。

5 典型成果分析

本次高密度电法工作, 装置采用温纳 (α) 装置。图1为N0线剖面, 通过踏勘, 该线附近有三处已知塌陷 (见图片) , 从反演推断成果图来看, 视电阻率在横向上出现几处低阻异常, 在垂向上呈层状分布。浅部视电阻率相对较高, 平均在60Ω·m左右, 为第四系黄土层的电性反映, 厚度约10m;中深部为煤系地层和奥灰岩的电性反映, 在测线-99~-54、-9~54、108~306、342~450位置出现低阻闭合圈异常, 视电阻率平均在30Ω·m左右, 深度在13m~36m之间, 结合已知资料分析, 推断该四处异常为煤层开采后, 围岩力学平衡遭到破坏, 围岩破碎引起塌陷、充填所致, 局部在地表形成塌陷坑。即推断为采空区反映。图2为N4线剖面, 该线地形从南部向北部逐渐减小, 南部地形起伏较大。该线附近有二处已知塌陷 (见图片) , 从反演推断成果图来看, 地层倾向南部, 北部较浅。视电阻率在横向上出现几处低阻异常, 在垂向上呈层状分布。浅部视电阻率相对较高, 平均在60Ω·m左右, 为第四系黄土层的电性反映, 厚度约10m;中深部为煤系地层和奥灰岩的电性反映, 在测线0~135、171~270、306~378位置出现低阻闭合圈异常, 深度在15m~35m, 视电阻率平均在30Ω·m左右, 结合已知资料分析, 推断该三处异常为煤层开采后, 围岩力学平衡遭到破坏, 围岩破碎引起塌陷、充填所致, 局部在地表形成塌陷坑。即推断为采空区反映。

6 结语

应用高密度电法对采空区进行勘查, 可以查明采空区的分布形态及深度位置, 了解该测区的工程地质条件, 探明地质异常, 为工程布置提供可靠依据;该方法对采空区, 尤其是对表现为低阻异常的采空区反映灵敏且经济实用, 效率高, 已成为采空区勘查、地质环境调查、环境灾害评价、堤防隐患探测工程等不可缺少的重要勘察方法之一, 也是一种有效的方法。

摘要：本文选择该物探手段, 在山西某地的采空区勘查中进行了实地勘查工作, 探测结果得到初步验证, 取得了较好的地质效果, 说明高密度电法用于采空区勘查是行之有效的。

关键词：高密度电法,采空区勘查,应用