高密度电法在探测煤矿塌陷区中的应用研究.pdf

高密度电法在探测煤矿塌陷区中的应用研究 韩侃 1袁王伟星1袁朱兆荣1袁陈贤丰2 1. 中铁西北科学研究院有限公司袁甘肃 兰州 730000曰2. 兰州交通大学土木工程学院袁甘肃 兰州 730070 摘要院对黄土地层煤矿采空塌陷区的地球物理勘察方法的研究较少袁文章以兰州市红古区窑街煤矿和平凉市东峡煤矿 塌陷区探测为例袁采用高密度电法对煤矿塌陷区地层结构尧裂缝发育尧塌陷的区域等进行了探测遥 现场用二维剖面法采集 物探数据并利用地形校正等手段提高数据采集精度袁再辅以二维反演进行大小校正袁结合现场地质调查对数据进行了分 析解释袁最后通过钻探资料验证了高密度电法对采空区探测的准确性遥 本研究成果为以后的采空区地质灾害调查工作提 供参考遥 关键词院高密度电法曰煤矿曰塌陷区曰探测 中图分类号院P631.3 1概述 目前采空区探测方法主要有两种院钻探揭露法 和地球物理勘探法遥 钻探揭露法属于单点探测袁探 测范围仅限于钻孔直径大小的地质情况遥 大面积勘 察宜选用地球物理勘探法和钻探揭露法的综合探 勘方法进行探测[1]遥 地球物理勘探法在采空区的探测上主要包括 地震法尧直流电法尧地质雷达法尧高密度电法和瞬变 电磁法遥 高密度电法测量信息丰富尧工作效率高尧探 测深度适中的特点被广泛应用于中尧浅层工程勘探 中袁尤其广泛应用于矿山塌陷区[2]遥 据此袁文章以兰 州市红古区窑街煤矿和平凉市东峡煤矿的塌陷区 为例袁分析了高密度电法勘探在探测煤矿塌陷区中 应用效果遥 2高密度电法工作原理及技术方法 高密度电法属于电阻率法袁是以岩尧土尧空气尧 水等介质电性差异为基础袁人工对研究区施加稳定 的电流场袁从而研究地下传导电流分布规律的一种 物探方法遥 高密度电阻率法理论与常规电法相同袁 但所用方法技术不同[3]遥 高密度电阻率法实际上是 常规电阻率法的改进袁 在测线各个测点上插上电 极袁每根电极是可以作为供电电极又可以作为测量 电极袁 同时通过控制开关选择使用不同的电极组 合袁可以实现野外数据采集方便快速遥 将测量结果 传入微机后袁可对数据进行处理袁添加高程文件袁然 后反演就可以得到有关研究区电阻率剖面图袁高密 度电法工作原理示意如图 1 所示遥 高密度电阻率法通常采用反演的参数视电阻 率来计算院 1 式中院 籽s要要要视电阻率Ohm-m曰 吟V要要要观测电位差曰 I要要要供电电流曰 K要要要装置系数袁计算公式如下院 2 其中袁AM尧AN尧BM尧BN 为电极间距离遥 高密度电阻率法应根据不同的勘探对象和地 质条件袁选择不同的装置组合形式袁其中常见的电极 装置有温纳四极尧施仑贝格尧偶极尧微分和联合三极等[4]遥 第 36 卷第 14 期 2020 年 7 月 Vol.36No.14 Jul. 2020 甘肃科技 Gansu Science and Technology 图 1高密度电法工作原理示意图 甘肃科技第 36 卷 联合三极装置探测深度最大袁但由于装置的不 对称性袁剖面异常形态可能发生畸变曰施仑贝格装 置横向分辨率和探测深度适中[5]遥 实际施工中袁可根 据需要选择不同装置进行测量袁处理时采用联合反 演袁提高数据解译精度遥 3数据处理与反演 由于导致塌陷的煤矿采空区范围较小袁要求数 据精度较高袁勘察区山峦起伏袁梁峁重叠袁沟壑纵 横袁岩土松散袁地形复杂遥 根据实地情况及以往工作 经验袁分析影响数据采集精度的主要因素为院地形 地貌和接地电阻的影响遥 3.1地形地貌 由于黄土塌陷区多呈大于 30益倾斜陡坡地形袁 地形切割严重遥 地形对探测的主要影响集中为院 1冤电极位置的准确性曰 2冤集流效应导致的假异常遥 此次采集时首先由测量人员逐点布设袁保证电 极位置的准确性遥 消除集流效应导致的假异常方法 较多袁目前效果较好的为二维反演进行地形校正[6]遥 本文处理软件采用仪器配套软件 RA-2D袁先进行原 始数据检查袁剔除较明显的视电阻率跳点袁并检查 地下供电电压和供电电流分布图遥 数据处理完毕袁 利用最小二乘条件约束的反演算法进行反演[7]遥 迭 代一定次数后袁当观测视电阻率结果与计算视电阻 率结果满足最小平方收敛时袁则输出反演结果遥 二 维高密度电法数据处理流程如图 2 所示遥 3.2接地电阻 电极接地电阻的大小对于高密度探测数据可 靠性影响较大袁接地电阻较大袁极易产生局部假异常遥 针对兰州红古地区地表干燥的条件袁在每个电 极接地处浇水袁保持电极接地良好遥 此外袁对仪器进 行有效绝缘袁防止仪器漏电对测量准确度和精度的 影响遥 以上各种措施联合进行袁可以较好地保证此次 测量数据及资料解译的准确性遥 4 现场实例 4.1 红古区窑街煤矿塌陷区 本次数据采集在红古区窑街煤矿塌陷区袁该地 区地形呈狭长的野山冶字型袁北面依山袁山峦起伏袁梁 峁重叠袁沟壑纵横袁岩土松散袁地形复杂袁红古区是 滑坡尧灾害较为发育的地区之一[5]遥 区内出露岩性主 要为砂岩尧泥岩袁其电阻率较低袁仅为 n伊10赘m袁地 裂缝尧采空区等电阻率值为 1001000赘m袁此为此 次地球物理勘察的前提遥 本次数据采集所采用工作 模式是二维剖面法袁电极距为 10m袁排列采用温纳装 置测量袁测线总长度为 800m遥 高密度电法反演推断解释如图 3 所示袁具体推 断解释如下院在图中 0m 至 320m 之间出现中高阻部 分渊色标为橘红色区域冤为黄黏土层反映袁电阻率值 为 70100赘 之间遥 图中 480800m 之间浅表层至十 几米埋深袁呈条带状区域高电阻率区域袁电阻率值 100赘 以上推断解释为地表层裂缝尧塌陷区反映袁与 工区去现场情况相符遥 在图中左侧 160320m 之间 出现中高阻部分渊色标为浅绿至深绿色区域冤为胶 结松散的砾石层反映袁电阻率值为 2050赘 之间遥图 中深蓝色之浅蓝色区域为泥岩尧 砂泥岩地层反映袁 电阻率值较低袁一般为 10赘 左右袁图中右下侧高阻 区域推断解释为砂岩尧砂砾岩地层反映遥 区内窑街煤矿是历史采矿和计划经济时期建 立的老矿业基地[8]袁原来的乱采乱挖尧无序开采及后 来的大规模开采袁 使矿区地质生态环境破坏严重袁 引发了一系列严重的地质环境问题袁本次调查工作 的重点是窑街煤电有限责任公司塌陷区袁确定了多 处地面塌陷灾害遥 地面塌陷规模较大的有 3 处袁规 模较小的有 4 处袁稳定性较差的有 5 处遥 调查时矿 区由于采矿等原因陷坑和裂缝仍在不断发展袁变形 开裂现象仍在持续遥 图 2高密度电法数据处理流程 48 第 14 期 渊下转第 108 页冤 4.2 东峡煤矿塌陷区 东峡煤矿位于六盘山山脉关山东麓陕甘宁盆 地之西南缘袁属六盘山石质山带与陕甘宁黄土高原 的过渡带袁东峡煤矿地区地表潮湿尧杂草丛生尧地表 地形起伏较大的条件袁 在接地条件不好的情况下袁 采用在每个电极接地处在原状土上袁保持电极接地 良好遥 另外袁对仪器实行有效的绝缘措施袁以防仪器 漏电影响测量精度遥 通过以上的各种措施袁较好地 保证了此次勘查的数据精度遥 本次测量所采用的工作模式是二维剖面法袁东 峡煤矿塌陷区地形高程变化复杂袁高密度电法各种装 置中只有温纳装置受地形影响较小袁故采用温纳装置 进行数据采集袁电极距为 10m袁1 号测线长度为 800m袁 2 号测线长度为 1280m袁测线总长度为 2080m遥 高密度电法反演推断解释如图 4尧图 5 所示遥 测 线 1尧2 均自西向东布置袁具体推断解释如下院 图 3高密度电法反演图 图 4测线 1 高密度电法反演图 图 5测线 2 高密度电法反演图 在图 4 中渊测线 1冤左侧 0640m 之间院浅表层 由地表至十数米深度出现条带状高阻部分为地表 分布塌陷尧裂缝反映袁200m 处尧510m 处出现的高电 阻率团为底部胶结松散的砂砾层反映袁图中深蓝色 至浅蓝色区域为第三系泥岩尧 砂泥岩地层反映袁电 阻率值较低袁一般为 10赘 左右遥 图 5 中渊测线 2冤可看出深蓝色至浅蓝色区域为 泥岩尧砂泥岩地层反映袁电阻率值为 10赘 左右遥640 960m 之间浅绿色至深绿色区域层为胶结密实砂砾 层尧 砂石岩反映袁 电阻率值为 3080赘袁 在 1040 1280m 之间橘红色区域层高电阻率值袁电阻率值大 于 200赘袁推断解释为底部砂岩反映袁地表有出露遥 5结语 1冤在黄土塌陷区进行高密度数据采集会受到高 倾角地形的影响袁 测线只能沿斜坡阶梯式铺设袁地 形高差会导致电流场分布不均袁对浅部信号影响较 大袁 因而必须详细记录地形高程 韩侃等院高密度电法在探测煤矿塌陷区中的应用研究49 甘肃科技第 36 卷 变化袁实施精确地形校正技术袁尽量减少地形影响遥 2冤 通过对两处塌陷区高密度电法资料和地质 资料的综合分析袁并结合测区内已有的采煤探井取 芯结果袁基本查明了探测区内的塌陷范围尧地层结 构和裂缝发育情况遥 3冤通过在黄土地区进行高密度探测袁分析了黄 土塌陷区介质电阻率分布特征袁 通过数据处理解 译袁得出了测区的地层结构和基岩埋深数据遥 这为 以后的地质灾害调查工作提供了新的技术手段和 工作思路遥 参考文献院 [1]高文君.高密度电法在矿山采空区探测中的应用[J].中国 金属通报,201803268270. 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[8]梅海,张纪勋.兰州市地质灾害类型及其分布规律[J].南 水北调与水利科技,2010,80453-57. 渊上接第 49 页冤 影响因素 a 对 VV尧稳定度尧VFA尧弯拉应变的 影响最小袁在 AR-SMA-13 配合比设计时可适当放 宽曰 因素 b 和 c 对细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料 AR-SMA-13 的 VV尧VFA尧 低温弯拉应变值影响显 著袁表明配合比设计时需重点考虑遥 同时从表 2 可 以看出袁各设计级配混合料的稳定度尧饱和度尧动稳 定度尧 冻融劈裂强度比均明显超过规定的技术要 求袁另外该地区海拔高尧气候寒冷尧降雨丰富所以在 选取级配时应重点考虑橡胶沥青混合料的低温性 能和渗水性能袁因此袁空隙率尧冻融劈裂强度比和低 温弯拉应变值是控制配合比合理范围的主要试验 指标遥介于以上考虑袁计算满足隙率尧冻融劈裂以及 低温弯拉应变的级配的组合袁得到最终的因素组合 级配的取值范围见表 4遥 筛孔渊mm冤 1613.29.54.75 2.361.180.60.30.150.075 上限渊冤100100 7640252420181511 下限渊冤10092 51261516111199 表 4陇南尧甘南尧祁连山山地尧高原大区 AR-SMA-13 级配参考级配范围 可知推荐的细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料 AR-SMA-13 级配的上下限均成平坦的曲线袁 呈 S 型分布袁这种 S 形分布的 AR-SMA-13 级配能够让 沥青玛蹄脂混合料以 4.75mm 为间断点构成骨 架要密实结构袁 并且着重考虑了混合料的低温性 能袁该级配具有适宜的空隙率保证耐久性袁且水稳 定性好尧表面构造深度大袁适宜于高海拔和多雨量 地区使用遥 6结语 本文利用正交试验设计方法袁选择了 9 种有代 表性的级配进行马歇尔稳定度等路用性能的测试袁 然后根据设计级配的试验结果进行了级配优化袁通 过优化设计的基本思路给出甘肃省陇南尧 甘南尧祁 连山山地尧高原大区地区高等级公路细粒式橡胶沥 青玛蹄脂混合料 AR-SMA-13 的合理级配范围袁从 而达到对级配优化的目的遥文章研究成果对于推进 绿色低碳高等级公路在高海拔和多雨量地区的发 展具有重要意义遥 参考文献院 [1]李栋梁袁刘德祥编著援甘肃气候[M]援北京院气象出版社袁2000援 [2]武光和袁江存远援甘肃综合自然区划[M]援兰州院甘肃科学 技术出版社袁1998援 [3]李斌援试论中国公路自然区划[J]援汽车与公路袁1975袁7 渊2冤院65-70援 [4]陈望祖袁陈飙援橡胶沥青技术应用指南[M]援北京院人民 交通出版社袁2007援 [5]交通部公路科学研究所援废旧轮胎橡胶粉用于筑路的 技术研究袁2002援 [6]王金凤袁张玉贞援废胶粉在沥青改性中的应用[J]援石油沥 青袁2013袁24渊4冤院62-65援 [7]张小英袁徐传杰袁孔宪明援废橡胶粉改性沥青研究综述 [J]援石油沥青袁2004袁18渊4冤院1-4援 [8]葛泽峰袁薛永兵袁苏深援废旧轮胎橡胶改性沥青的研究 进展[J]援公路与汽运袁2014袁7渊5冤院79-83援 108