高密度电法在煤矿采空区探测中的研究与应用

王东伟 刘亚文 李玉辉 罗 强 朱 名 李武松 王 飞

(1.河南省地矿局第二地质勘查院，河南省许昌市，461000；2.河南省地矿局第一地质勘查院，河南省郑州市，450000)

1 高密度电法工作原理

1.1基本原理

高密度电法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置、多次数据采集的优点，高密度电法基本原理与普通直流电法一样，都是基于稳定电流场空间分布理论。在野外施工技术上，高密度电法比普通电法数据采集更快，自动化程度更高。

高密度电法探测系统的基本结构是测量前将全部电极一次性铺设在测线上，然后通过多芯电缆(或智能盒控制)接入多路电极自动转换系统，通过电极转换系统与电法仪通讯，实现数据采集中的自动电极转换；测量时，通过单片机控制对电极接地情况进行自动检查，并控制装置形式变化、极距大小变化及测点位置滚动，自动完成各测点的多极距、多装置形式数据采集工作，并将数据存贮在电法仪的内存中；测量后，将仪器中的数据传输到微机中，通过专用软件对数据格式进行转换并进行反演处理，最后绘制视电阻率剖面、切片等图件。

高密度电法可采用的装置形式有温纳对称四极装置、微分装置、三极装置、偶极装置、两极装置等。数据采集时综合考虑目标体埋深、纵横向分辨率、施工场地等各种因素，选取合适的装置形式。

1.2 数据处理方法

高密度电法获取完整的测线或测网数据后，对采集到的数据进行预处理和数据格式转换后，剔除畸变数据，反演、绘制视电阻率断面图，最后结合已有地质资料对异常作出解释。经过反演解释后，可获得地下一定深度的地质异常分布。

2 应用实例

2.1 探测区概况

本次探测是为查明华北地区某村庄附近一定范围内的地下地质情况，重点探测村庄民房所在区域是否存在煤矿采空区，同时对探测区无民房区域给出地质评价，查明是否存在采空区。

探测区内广为第四系黄土所覆盖，地形较平缓，多为民房和田地 ，黄土层下为厚度10m左右的含砾石土层，电阻率为300～1100Ω·m，砾石土层下为砂岩、泥岩、煤层与灰岩。砂岩电阻率为20～220Ω·m、泥岩电阻率为50～900Ω·m、煤层电阻率为200～500Ω·m、灰岩电阻率为350～3000Ω·m。

当采空区不充填水或砂砾石时，呈现高阻反应；当采空区充填水或砂砾石时，呈现低阻反应。煤矿采空区与围岩存在明显的电阻率差异，为高密度电法探测采空区提供了物理前提。

2.2 仪器设备及测线布置

本次探测采空区的高密度电法仪器采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A高密度电法测量系统，该仪器一机多能，操作方便，采用全数字化自动测量，可对自然电位、漂移及电极极化进行自动补偿。探测区东西长800m、南北宽400m，探测区内自南往北布置东西向9条测线，编号为1线至9线，测线间隔50m；自西往东布置南北向17条测线，编号为10线至26线，测线间隔50m。每条测线布置一个排列，每个排列布置120根电极，观测120道，电极间隔为10m。采用温纳装置，工作电压120V。

2.3 成果及解释

图1为探测区7线高密度电法探测的视电阻率断面图，图中的值为高密度电法探测的视电阻率值，单位为Ω·m，该图利用温纳四级装置探测得到。图中上部横坐标为120个电极的具体编号，电极间隔10m；下部横坐标为实际测线长度，为了保证电极号和图中测线的长度标号对应，图中测线的起始坐标设置为10m，图中测线的中点对应探测区内7线的中点，即7线自西向东的第400m位置。纵坐标为相对于地表位置的实际探测距离。

图1 工区7线高密度电法视电阻率断面图

从图1中可以看出，在7线下方200m以内，视电阻率等值线在横向上连续性较好，没有异常扰动，在垂向上成层分布的特点也较明显，且左右呈现一致的连续性，电阻率值从25Ω·m逐渐递增到95Ω·m，总体上无明显的扰动异常。说明7线下方200m范围内地层连续性较好，无明显的地质异常区存在。但在测线下方200～260m、横向上550～680m地段的视电阻率值等值线呈局部低阻异常扰动，且形成一个低阻封闭圈，封闭圈的视电阻率值为85Ω·m，明显低于左右两侧的视电阻率值，低阻异常较为明显。对比低阻封闭圈周围的视电阻率值，同时结合已知地质资料，推测该地段为煤矿老窑采空区的反映，且存在一定量的泥水。从7线以下260m以外的视电阻率等值线可以看到，受高密度电法温纳装置的限制，深部的探测数据少于上部的探测数据，但视电阻率值整体上呈横向分布，没有明显的低阻异常扰动。

同理，在7线附近的6线和8线的高密度电法视电阻率值断面图上其视电阻率值横向上连续性较好，垂向上成层分布，没有发现明显的低阻异常区存在。而在东西方向的第17、18和19线的高密度电法视电阻率值断面图上，均发现有低阻异常区存在，以18线的低阻异常区最为明显，异常区同样分布在测线下方200～260m位置，横向上延伸56～60m，说明该煤矿老窑采空区东西向约130m，南北向约60m。

为确保煤层采空区探测精度，绘制了工区高密度电法视电阻率-240m平面图，平面图通过26条测线中-240m位置的视电阻率值插值得到。从工区高密度电法视电阻率-240m平面图中发现，低阻异常区视电阻率值为85Ω·m，异常区东西长约130m，南北宽约60m，且出现位置与7线对应。由于异常区南北宽度60m，在6线和8线视电阻率断面图上未发现低阻异常；东西长约130m，超出了测线间隔，因此在17、18和19线位置均发现了不同程度的低阻异常区，异常区的位置和测线的视电阻率断面图相符。

后来结合高密度电法物探资料在低阻异常区地面位置布置一验证钻孔，在钻孔孔深210m处遇大量泥水，泥水有难闻气味，后对泥水进行鉴定后，判定为老窑采空区积水，高密度电法探测结果推测的采空区位置与实际位置基本吻合。

3 结论

(1)在野外施工技术上，高密度电法比普通电法数据采集更快，自动化程度更高。在获取完整的工区测线或测网数据后，对数据进行预处理和格式转换，剔除畸变数据，可以绘制视电阻率断面图和平面图，再结合地质资料可获得地下一定深度的地质异常分布。

(2)高密度电法温纳装置受装置限制，深部的数据量偏少，当目标体勘探深度较大时，可以采用温纳和温施两种装置同时探测，来提高探测的准确性。

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