高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用.pdf

总第 9 9 期 2 0 0 4 年第 8 期 西部探矿工程 W E ST CHI NA EXPLORATI ON ENGI NEERI NG s e r i e s NO ． 9 9 Au 昏 2 0 0 4 文章编号 1 O 0 4 5 7 1 6 2 O 0 4 0 8 一O 0 6 5 0 2 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 2 文献标识码 B 高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用 张进 国。 徐新学 天津华北地质勘查 曷． 天津 3 0 0 1 8 1 摘要 论述 了高密度电阻率法的工作原理、 装置形式和异常特点， 同时列举一煤矿矿 区实例 ， 说 明高密度 电法对其地 下采空区的探测效果， 通过地 电影像的图象显示， 使得 断面异常形态清晰明了。 关键词 高密度电法； 采空区； 探 测效果； 地电断面影像 高密度电法是 2 O 世纪 8 0年代提 出来的一种电法勘探新技 术 ， 其原理是以常规直流 电阻率法为基础 ， 在探测剖面上同时布 置多个电极 6 0或 1 2 0个 ， 由人工 向地下发送 电流 ， 使地下形成 稳定的电流场， 通过 自动控 制转换装置对所 布设 的剖 面进行 自 动观测和记录的一种物探方法 。可进行二维地电断面测量 ， 兼具 剖面法和测深法的功能 ， 是进行地层划分 、 探测隐伏断层构造、 岩 溶空洞 以及地质滑坡体等的一种有效手段 。相对而言 ， 高密度电 法具有测点密度大、 信息量大、 工作效率高等特点， 测量过程 中． 通过转换装置控制电极间的不同排列组合 ， 能够实现直 流电法 勘探 中的各种装置形式的探测， 如温纳 、 偶极、 施 贝和微分等 ， 可 以提供更多的地电断面信息， 有利于对比分析， 因此充分发挥了 物探技术在勘查中的优势。 本文通过采用 D UK一2型高密度 电法 仪， 对某煤矿 的地下 采空区以及采煤巷道的有效探 测 ， 成功地圈定 出测 区内新 老采 坑、 巷道的具体位置和分布范围， 探讨了高密度 电法在工程地质 勘查中的应用效果 。 1 测区地质概况及地球物理特征 测区是位于一村庄和煤矿矿井之间 见图 1 ， 煤矿开采是不 断地向村庄方向掘进的， 不同标高 、 不同时间开采的采空区比较 混乱 ， 其中许多地段地下回采后已经坍塌 井 中巷道和采空区的 位置已无法控制测量 ， 造成地表农 田里多处 出现连续的裂缝 和 沉降坑。由于距离村庄较近 ， 为 了确保安全， 决定利用物探方法 确认地下采煤坑道是否 已经越界开采 自村庄边界 向南 8 2 m处 为规定的保安界线 。 ‘ 测区内西侧和中间地段地表 大部分 为第 四系浮土覆盖 农 田 ， 地形相对平坦， 东侧是基岩 灰岩 出露的山坡地， 地形起伏 较大。测区内分布有大冲沟 、 排水渠、 高压输电线 、 多道 田坎和直 径大小不一的陷落坑， 地表追踪可见因地下煤层采空而形成的 裂缝多处 ， 宽度约 1 45 c m。 从地质资料看 ， 该区煤层 赋存 于灰岩之 中， 并有两个赋存 标 高． 分别为 5 0 46 5 m、 8 6 41 0 5 m， 煤层 总体呈缓倾斜状 。地下采 空区多数是追索煤层向前推进 ， 回采后 即废弃， 运煤的平巷其断 面尺寸一般为 2 ． 0 rex2 ． 0 m。 该区采用高密度电阻率法测量 的物性前 提， 是利 用组成 地 图 1 测区地质及物探测线布置示意田 下介质层间的电性差异 采空区和巷道为特高阻， 灰岩层为高阻 ， 煤层呈中到相对高阻， 灰岩层和未开采煤层横 向较均匀且分布 范围一般很大 ． 充水的巷道呈低阻但范围很小。地表通过不同电 极距的布设可采集到反映地下不同点、 不 同深度的视 电阻率值 ， 而视电阻率值即蕴含着各种地质体 的分布信息 ， 采用计算机对 数据进行处理、 影像成图和综合分析解释， 即可确定出地下采空 区和巷道的大小、 形状、 分布范围以及在地表的投影位置。 2 高密度电法仪的仪器设备、 方法选择和测线布置 野外测量采用重庆地质仪器厂生产的 D I J K一2 型高密度电 法仪测量系统， 该仪器由多路电极转换器 D U K一2和多功能直 流电法仪 I Z D一6 共 同组成 ， 观测参数为视电阻率 p s 。野外测量 时将剖面上电极一次性布好， 设置好仪器的采集参数和装置参 数， 则可 自动进行断面视电阻率值的测量和存储记录工作 ； 室 内 将仪器内的数据回放至微机， 用专用的成图软件将断面上的视 电阻率值转换成地电影像图 ， 异常形态清晰明了。视 电阻率断面 图是研究沿测线方向的断面上视 电阻率 p s 值白 唆 化特征 ， 能 比 较详细地反映出地下地质构造和各种地质体的赋存状态 。 维普资讯 6 6 西部探矿工程 Au g ．2 0 0 4 N0 ． 8 考虑到探测 目标体的规模 、 埋深和分布范围， 而且主要是对 8 2 m处的规划保安采矿线范 围附近的探测 ， 所 以工作 中选择测 线方向横穿整个测区， 共布设 8 条剖面， 剖面长度 5 5 0 6 0 0 m， 电 极间距 1 0 m 7 号剖面长度 3 0 0 m， 电极间距 5 m ， 隔离系数 1 6 ～ 1 8 。从预测的工作成果考虑 ， 兼顾物探资料解释的连续性和可比 性， 将其 中 1 、 2 、 3 三条剖面线布设于规划保 安采矿线的南侧， 剖 面间隔 2 0 m； ． 1 、 5 、 6 三条剖面线布设于规划保安采矿线的北 侧， 剖面间隔 1 0 m； 7 、 8 两条剖面线穿过规划保安采矿线而南北向布 设， 详细位置见图 1 ， 具体完成工作情况见表 1 。 表 1 高密度电法实测工作情况表 电 总数 电极间距 隔离系数 观测装置 编 个 m ⋯’ ‘ 。 ⋯ ⋯’ ‘ 。 。 。 温纳、 偶极 温纳 温纳 、 偶极 温纳 、 偶极 、 施 吡2 温纳 、 偶极 、 施叭 温纳 、 偶极 、 施 2 温纳 、 偶极 、 施贝 2 温纳 、 偶极 、 施叭 2 开始工作前 ， 现场我们分别进行 了温纳 、 偶极、 三极、 微分、 温 施 1 、 、 施 吸 1 、 等各种装置的观测试验， 经过对 比发现温纳 、 偶极和施贝 三种装置观测效果较好 ， 可 比性强， 其 中温纳装置 反映大范围的地层分布 、 起伏变化效果明显 偶极装置则对局部 小范围的异常细节、 小规模地质体反映灵敏 ； 施贝 2 装置与常规 对称四极电测深装置取得的资料接近 ， 断面上异 常体 的空间位 置和分布范围反映精确 ， 具有较高的横向和纵向分辨率。由于高 密度电法测量时 电极间距小、 测点密度大． 所 以相对来讲 ， 地形起 伏对观测成果的影响 比常规电法小 ， 异常连续 ， 这是高密度电法 测量时一个突出的优点。 3 成果资料解释 从各断面影像图上可以看出 ， 整个测 区视 电阻率变 化情 况 大体一致， 总体趋势是上低下高， 变化范围在几十～几百 n n l 之间 上部视电阻率较低层是地表第四系覆土的反映， 往下电阻 率值逐渐升高， 依次是松散沉积层 、 风化层 、 基 岩 灰岩 层的作 用． 其中在高阻层 内出现分布范 围较大的低 阻区， 应该是低阻煤 层的反映。1 ～6号剖面上 的 4 6 ～ 6 O号测点 间， 视 电阻率值很 高， 对应着测区东边山地上出露地表的高阻灰岩的影响； 3 8 ～4 6 号测点间， 视电阻率值较高且空间变化零乱 ， 推断为山前塌落堆 积带； 在各条剖面上的 3 8 号测点附近， 都有一垂直的低阻条带状 异常 ． 推测为断层反映 ， 该断层平面上呈南北 向展布 ， 井下的开采 煤层至此均被阻断 ， 地表 多个陷落坑都沿该断层线 分布。在 3 9 号测点附近为地面上的小路位置。 1 、 2 、 3 号剖面线位于 8 2 m处规划保安采矿线的南侧 ， 其中南 端 1 号剖面线的下部视电阻率值很高， 其高阻分布范围对应着地 下采空区的范围， 该剖面上地表多处有裂陷带存在； 北侧 2 剖面 的下部相应位置上只有范围较小的高阻异常显示 ， 而 3 号剖面下 面没有明显局部高阻异常出现， 说 明地下采煤 坑道 或巷道至此 已经终止 。 4 、 5 、 6 号剖面线位于 8 2 m处规划保安采矿线的北侧， 三条剖 面线的纵 向断面图上均无明显的局部高阻异常显示， 说 明地下 采煤坑道或巷道不存在。 7 、 8号两条剖面横穿 8 2 m规划保安采矿线而南北向布设， 其 中 7 号剖面线位于测区的中部 ， 测线上地表 2 9号点 附近为裂陷 带， 对应着断面图上浅部有明显 的高阻异 常， 深部往小号测点方 向即斜向南侧一边 ， 有明显的高阻异常出现 ， 直接对应着 因地下 暴躁坑道塌落而造成 的影响 ； 8 号剖面位于测 区西边， 测线上 3 O 号测点以南为煤矿开采区， 地表多处有裂陷带分 布， 断面图上多 处有局部高阻异常显示 ， 对应着地下采空区和 巷道 的存在与影 响， 而 3 O号测点以北断面图上无高阻异常出现 ， 说明该范围内无 采煤坑道或巷道存在。 以上勘查结果表明 ， 煤矿开采方是严格按照保安法规规定 的界线进行合法开采 的， 同时高密度 电法勘探也能够精确地反 映出地下已开采区和未开采 区的具体位置和详细 区间 ， 其方法 的有效性达到了预期 的工程地质勘查的 目的与要求。 4结论 1 该工程实例表明， 高密度电法是探测地下煤矿采空区的 一 种有效方法 ， 与其它物探方法相 比， 具有成本低 、 效率高、 地 电 信息丰富且探测精度高等优点， 在工程地质勘查中值得推广运 用 。 2 高密度电法的探测资料解释， 要充分利用各种已知的地 质信息 ． 排除其它干扰因素的影响， 这样才能获得正确的结论。 3 高密度电法的主要 缺点是 ， 随着探测深 度的增大 ， 供电 极距 隔离系数 也要增大 ， 观测断面上不 可避免地产生“ 边缘损 失” ， 即深度越大 ， 探测的范围越小， 常常形成“ 倒梯形” 形状 ； 由于 受测量电极间距、 隔离系数的限制 ， 该方法 的探测深度相对较浅 约 1 0 0 多米深 ； 当观测剖面附近有用电电源时 ， 该方法 的观测 结果要受到地下游散电流的影响。 T h e A p p I i c a t i o n o f H i g h D e f mi t i o nE e c t r i c i t yMe t h o d i n Co a l M i n e Emp t y Ar e a Z HANG J i n g u o ， X U Xi n - x u e G e o l o g y s u r v e y b u r e a u o f N o r t h C h i n a ，T i a i n 3 0 0 1 8 1 ， Ch i na A b s t r a c t Th i s r e p o r t f u l l y d i s c u s s e d t h e f u n d e r me n t a l t h e o r y o f h i g h d e ft n i t i o n e l e c t r i c r e s i s t a n c e ， e q u i p me n t f o r ma t io n a n d a n o ma l y c h a r a c t e r i s t i c s At t h e s a me t i me a l i v i n g e x a mp l e o f c ∞ 1 mi n e a r e a s t a t e s 8 n e x p l o r a t io n e f f e c t o f e mp t y a r e a u n d e r g r o u n d ， a n d t h e a p p e a r a n c e o f a b n o r mi t y c l e a r t O u n de r s t a n d f r o m t h e e l e c t r i c i t y c r o s s s e c t i o n i ma g e ． Ke y w o r d s h i g h d e f i n i t i o n e l e c t r i c i t y me t h o d ；e mp t y a r e a ； e x p l o r a t i o n e f f e c t ； e l e c t r i c i t y c r o s s s e c t i o n i ma g e 8 6 6 8 8 8 8 8 l三 m ∞ ∞ ∞ 暑 维普资讯