超高密度電阻率法在煤礦采空區中的應用

喬天成

（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局地球物理探礦隊，烏魯木齊 830011）

1 超高密度電阻率法簡介

超高密度電阻率法是一種集高速，大量數據采集，靈活的電極布置和反演技術于一身的電法新技術。它的基本思路仍然是基于電法勘探的最基本原理[1]，即基于在人工直流電流的作用，達到勘探地下地質構造，判別地層巖性的目的。采用的儀器是澳大利亞ZZ Resistivity Imaging 研發中心生產的FlashRES64 多通道、超高密度直流電法勘探系統。通過一次布極，計算機程序化控制電極變化，從本質上提高了電法勘探精度和工作效率。

2 超高密度電阻率法數據處理與資料解釋

數據處理工作采用澳大利亞ZZ Resistivity Imaging 研發中心研發的專業軟件完成。數據處理過程大致包括數據檢查、數據預處理、網格剖分、正演、反演、反演結果成圖和地質成功解釋。

超高密度電阻率法數據反演時，首先設定一個電阻率分布理論模型（和實際地下電阻率分布情況有些差異）；其次用理論模型做正演推算，得出理論電阻率數值；再次計算實測電阻率數據與理論數據之間的差值；然后按照一定的算法把各個差值歸算到剖分的網格中去，以此校正設定的理論電阻率模型，得出一個新的理論電阻率分布模型；用得出的理論模型再做正演推算，重復上述步驟，連續迭代直到理論模型統計校正值足夠小時停止，就是理論模型與實際電阻率分布已很接近，把這時的理論電阻率分布模型當作最終反演結果[2]。

2.1 2.5維電法正演基本方程式：

▽?（σ▽`U）-ky2σ`U=-I/2δ（x-xc）δ（z-zc）其中，，σ為電導率（電阻率的倒數），I為電場強度，（xc，zc）為電流極的位置。通過解此方程可得到當一個電流極在（xc，zc）處時的電場強度分布狀況。

2.2 電法反演基本方程式：

其中：Φd（m）=||Wd（d0-d（m））||2，Φm（m）=||Wm（m-m0）||2，m 為電阻率，λ 為平衡因子，d（m）為正演推算電場數據，d0為實際測量電場數據，m0為反演初始模型，Wd和Wm為加權因子；加權因子控制迭代過程中對模型的修正量，依實測數據信噪比高低取值。

3 在勘探煤田采空區中的應用實例

工作區目標體與圍巖地層的電阻率差異明顯，為該區進行超高密度電法勘探工作提供了良好的地球物理前提。但由于各種介質的電阻率除本身的電性特征外，還受多種外界因素的影響，如濕度、溫度、孔隙度等等，所以通過鉆孔資料的協助來對該地區的地質情況進行針對性的分析，可以顯著提高解釋的準確性。

此次超高密度電阻法測量共完成了7條剖面，其中5 條為平行公路主線的縱剖面，1 線和2 線為垂直公路主線的橫剖面。以下重點介紹典型特征剖面2號線。

3.1 2號線剖面成果解釋推斷

電阻率斷面圖顯示，該剖面的地層主要分為3層（見圖1）：

圖1 2號線剖面視電阻率及推斷解釋圖

圖2 1號大橋采空區推斷解釋平面圖（俯視圖）

圖3 1號大橋采空區推斷解釋平面圖（左視圖）

①在表層為粉土、碎石土及大塊礫石，電阻率中等，約為150～600Ω·m，厚度差異較小。西段厚度小，基本可見煤層及強風化的砂巖出露，覆蓋層基本小于1 米；中東段厚度稍大，約在5～10 米，有多處小規模的中高電阻率異常，可能與覆蓋層中規模較大的強風化砂巖塊體有關。

②第二層為強風化泥質粉砂巖、砂巖，厚度較小，顯示為中低電阻率特征，電阻率值約為60～400Ω·m，厚度約為5～30 米。中部300～480 米整體向下塌陷，可能存在大規模的破碎帶。

③第三層為中風化砂巖、礫巖，剖面西段和東段電阻率高，變化平穩，總體約在200～800Ω·m之間，厚度約為30～150 米；局部圈閉的電阻率高，大于1500Ω·m。與出露的中下侏羅統西山窯組泥質粉砂巖、砂巖電性特征吻合。

剖面中部300～480米整體顯示為低阻異常，延深較大，地表可見多處塌陷坑，有垮塌現象，因此認為該處低阻異?？赡苁歉凰臄嗔哑扑閹б?。在距離剖面西北端310 米處，剖面穿過1#礦坑道，顯示為小規模的低阻異常，該坑道位于山前匯水區，因此，推測該低阻異?？赡苁?#礦坑道采空區的反應。

3.2 平面成果解釋推斷

為有效查明工作區的采空區位置和分布特征，物探布設了十字剖面進行詳細普查，將縱、橫剖面發現的采空區進行綜合分析，繪制了區內采空區的平面分布特征成果表，以便指導下一步工作的開展。通過縱剖面的俯視圖和左視圖可以看到，工作區內主要存在兩條疑似貫通的采空區，剖面中部的采空區規模略大，自8 線一直延伸到12 線，連續性較好，是本區存在的最大安全隱患。

4 結論

本次物探工作依據煤層、采空區與圍巖存在電性差異特征，采用超高密度電阻率法對本區煤層采空區進行勘察，通過7 條剖面的綜合分析，圈出了12處疑似采空區，有四處與已知的三個采礦坑道、通風井吻合較好，高密度電法獲得的異常能夠有效識別采空區、塌陷區的位置及延伸特征，達到了本次工作目的。