高密度电法在巷道式采空区探测中的应用效果（鲁辉）

时间：2022-02-22 15:23:43 浏览量：次

［摘要］介绍了高密度电法的方法原理，展示了在豫西某铝土矿采空区探测中的应用效果，最后指出了该方法的优点和存在的不足。

［关键词］高密度电法采空区巷道探测应用效果

1 引言

采空区作为人类活动潜在的地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民群众的生命财产造成了严重的威胁。豫西某铝土矿由于多年的无序开采，矿区千疮百孔，存在为数众多且大小不一、范围不详的采空区。调查显示许多采空区开采范围并不大，有相当一部分仅仅是以掘代采，实际上一个巷道，断面尺寸最小处仅为1.7m×2.0m。它们有的互通、有的重叠，更多的是相互独立、纵横交错。这些未知采空区的存在，给矿区的生产活动带来了极大的不便。因此，迫切需要查明这些采空区，以便在生产中进行预防和回避。通常所说的采空区一般范围较大，目标体规模和埋深相比也比较大，容易取得较好的探测效果。而要想探测出像巷道式采空区这样规模和埋深比如此小的目标体，对探测精度提出了较高的要求。好在这些采空区大部分埋深都小于50m，这给高密度电法探测创造了良好的条件。

2 高密度电法的方法原理

高密度电法由传统电阻率法发展而来，与传统的电阻率法相比，施工起来效率高、成本低,解释方便快捷，获得的信息丰富，在小电极距下可以达到较高的探测精度，尤其适合目前工程地质勘察中目标体埋深不大，规模较小等情况。

高密度电法具有剖面法与测深法的功能。可进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的地电断面结构特征的地质信息。高密度电法具有点距小、采样密度高的特点，敷设一次导线后可进行数千个记录点的数据观测，不仅采集速度快,而且可以避免由于手工操作而带来的错误。

高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系三部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系中的装置分别进行供电和测量；主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向电极系中的装置进行供电并接收、存贮测量数据。数据采集完成后，通过通讯程序将原始数据传入计算机开始进行处理。首先把数据转换成反演软件能识别的格式，然后进行畸变点剔除、地形校正等预处理，最后进行二维反演成图，并结合工区地质资料进行综合推断解释。具体工作流程见图1。

3 矿区地质概况及地球物理特征

矿区地表绝大部分被第四系覆盖，地表多为黄土，成矿地层为石炭系上统本溪组。上覆地层一般为黄土、砂卵石、砂岩、页岩，下覆地层一般为灰岩。前人物探资料显示，矿区地层电阻率具有从新到老逐渐增大的特征。

从理论上讲,铝土矿被采出后使该处矿层出现一个充气空间（即采空区）,破坏了岩石的完整性、连续性,造成采空区的电性与矿层电性出现差异,表现出明显的高阻特性(该处电阻率明显高于周边完整岩石处的电阻率)。即使经过一段时间后,采空区上覆岩层在重力作用下发生变形,致使岩层出现裂缝、破碎甚至坍塌，由于塌落物膨松不致密，采空区仍然呈高阻特征。而当地下水或雨水侵入采空区后,其将呈现低阻特征，低阻程度随水的含盐度与塌陷溶融状态会有程度上的不同，但一般情况下会明显低于围岩。总之，无论哪种情况下，采空区和围岩的视电阻率都会有明显差异，这就为高密度电法探测提供了前提条件。

4 测线布置

由于采空区都是通过巷道和矿井相连通，并且调查也显示本矿区有些采空区实际上只是以掘代采的巷道。因此，本次采空区探测是以追踪各矿井的巷道开始的。

首先在矿井周围以“井”字型布置4 条测线，保证该矿井的巷道必然会被测线拦截到。若某条测线发现有巷道异常存在，则该矿井口中心和异常点处连成的射线方向即为矿井巷道的走向。沿巷道的走向再布设若干横跨巷道测线进行追踪，即可圈定采空区的范围。

5 装置及工作参数的选择

高密度电法在进行数据采集时，可选择的电极系装置较多,不同的装置决定着不同的电极排列方式。装置的选择本着方法有效、操作简单、环境影响小、投入人员少和经济快速的原则。根据现场试验结果，选用温纳装置。具体工作方式如下（见图2）：A、B 为供电电极，M、N 为测量电极。测量时，AM=MN=NB 为一个电极间距，A、M、N、B 逐点同时向右移动，得到第一层剖面线；接着AM、MN、NB 均增大一个电极间距, A、M、N、B 逐点同时向右移动,得到第二层剖面线；这样逐层扫描测量下去,就会得到一个倒梯形的完整断面图。电极间距和排列长度可根据目标体规模、埋深和场地条件选择，同时也要兼顾工作效率，本次探测电极间距为2.0m，排列长度随各采空区埋深不同而有所不同。

6 典型成果

图3 是66 号矿井周围一条测线的高密度电法剖面图，这条测线位于山坡的一条小路上。调查资料显示该矿井在和测线斜交方向存在一条埋深6m 的巷道，开采过程中未见地下水。由图3可见该剖面图分层清晰，但该处地层层位不太稳定，有些地层发生尖灭。尽管地质情况复杂，但在该测线桩号37m、埋深6m 还是可以看出有一个非常明显的高阻异常区，结合调查资料我们推断为采空巷道。

图4 是199 号矿井周围一条测线的高密度电法剖面图，该测线全在耕地中。调查资料显示该矿井在和测线斜交方向存在一条埋深19m 的巷道，开采过程中未见地下水。由图4 可见，该剖面图分层清晰，层位较为稳定，在桩号96m、埋深20m 处有一明显的高阻异常区，结合调查资料我们推断为采空巷道。

7 结论

这次用高密度电法探测巷道式采空区取得了成功，是个有益的尝试。同时，也证明了高密度电法获得地电信息丰富且探测精度高的优点，可以在采空区的详查中加以推广应用。但是通过本次探测也发现高密度电法存在一些不足，比如：①高密度电法由于采用大线布置方式，难以适应复杂地形条件②目前高密度电法仪器由于公用发射和接收电缆，无法进行大功率发射，探测深度有限；使其在探测埋深较大的采空区时受到限制。

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