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《能源技術與管理雜志》2015年第二期

1高密度電阻率成像法的基本原理

高密度電阻率成像法是電剖面法和電測深法的組合，以地層的導電性差異為基礎，研究人工電場作用下地層中傳導電流的分布規(guī)律。在野外數(shù)據(jù)采集時多采用三電位電極系來獲得豐富的地電信息，三電位電極系是一種由溫納裝置、偶極裝置及微分裝置按一定方式組合后構成的統(tǒng)一探測系統(tǒng)，探測過程中可以通過轉換電極開關在一個測點上得到多種電極排列的裝置參數(shù)，各種裝置探測視電阻率的計算公式分別為。現(xiàn)場探測工作進行時，首先選取a為基本點距進行剖面測量，然后在改變A、M、N、B之間的相互位置情況下，再進行剖面測量。一般情況下，令AM=MN=NB=na（n=1，2，3……），不論n等于多少，每次剖面測量時向前移動的距離均為a［5］。每組視電阻率ρa值表示該組裝置的中點正下方AB/2處，如圖2所示。

2綜合電阻率法的地球物理響應特征

由于煤礦采空區(qū)會使深部地層及淺部地層的連續(xù)性遭到破壞，使得采空區(qū)上覆地層的電性特征發(fā)生變化，根據(jù)裂縫發(fā)育程度和含水性特征可以判斷地層的電性特征。一般情況下，若采空區(qū)上覆地層裂隙較為發(fā)育且不含水時，地層電阻率將會大幅度升高，而當裂隙、裂縫中大量充水時，地層的電阻率將有所降低，其降低的程度與富水程度有關；若采空區(qū)上覆地層裂縫不發(fā)育，則地層的電性特征跟巖性及地層的含水性有關。據(jù)此，通過探測地下巖層的電阻率及其變化，可以判定巖層的結構狀態(tài)和含水狀況。

3工程應用實例

某礦1505工作面采用綜放回采，近2a的回采造成采空區(qū)上地面塌陷以及附近某村大部分村民所居住的房屋出現(xiàn)不同程度的裂縫，為調查該礦采空區(qū)塌陷造成的地表影響范圍，采用綜合電阻率法對采空區(qū)邊界及地表隱伏裂縫范圍進行探測。

3.1探測方案本次探測采用EH4和高密度電法2種方法進行綜合探測，設計測線垂直于煤層采空區(qū)走向邊界。這里選擇其中一條綜合測線進行分析，EH4可控制目的層深度為10~500m，探測點數(shù)為32個，測線總長度約310m；高密度電法測線總長度310m。

3.2地質解釋和成果圖3為EH4某測線視電阻率斷面圖。由圖3可知，隨探測深度的增加，視電阻率值表現(xiàn)為由低到高的整體電性特征。圖3上部探測深度小于100m段視電阻率值變化范圍較大，但相對較低，其中，在樁號段0~190m、深度為0~80m范圍內其視電阻率值在0~100Ω•m之間，推斷該區(qū)域為受到干擾引起視電阻率值波動；在樁號段190~310m、深度為10~100m范圍內其視電阻率值約100~600Ω•m范圍，推斷該區(qū)域為隱伏裂縫引起的視電阻率值增大，而隱伏裂縫則可能為由地下采空區(qū)的塌陷在淺部地層中形成的。圖3中部（深度在100~350m之間）的視電阻率值變化范圍較大，在樁號段為0~220m內其視電阻率值在100~300Ω•m范圍，判斷為正常地層反應；在樁號段為220~310m、深度為190~350m內其視電阻率值在200~700Ω•m范圍，推斷該區(qū)域為地下采空區(qū)或冒落帶引起的視電阻率值增大。因此，可以將采空區(qū)的邊界在地面投影位置確定為樁號段為200m處。圖3下段（探測深度在350~500m之間）的視電阻率值整體較高，反映了深部地層正常的電性特征。圖4為高密度電法測線視電阻率剖面圖。由圖4可知，該剖面地層視電阻率層狀特征比較明顯，淺部視電阻率值較低，反映出第四系地層的電性特征，局部出現(xiàn)高阻，可判斷為地表裂縫發(fā)育引起。標高為1315~1320m，樁號195~310m段所對應的區(qū)域視電阻率值相對較高，局部出現(xiàn)高阻異常現(xiàn)象，可判斷為近地表裂縫發(fā)育區(qū)，主要受地下采空區(qū)影響。深部視電阻率值總體上表現(xiàn)為高電阻率值，反映出深部基巖的電性特征。但220~245m段視電阻率值偏低，可判斷為受采動影響的地表裂縫因雨水下滲形成低電阻率異常區(qū)。兩種方法的探測結果顯示：淺部裂縫發(fā)育的范圍吻合較好，中深部和深部區(qū)域采空區(qū)或冒落帶的影響范圍吻合較好。

3.3地質驗證根據(jù)綜合電阻率法地質解釋結果圈定的采空區(qū)邊界及隱伏裂縫邊界與礦方提供的1505工作面采空區(qū)邊界基本吻合，其中EH4電導率成像系統(tǒng)確定的采空區(qū)邊界比礦方提供的邊界略大，但差別小于10m，滿足有關規(guī)程要求。高密度電阻率法確定的由采空區(qū)引起的淺部地層隱伏裂縫波及范圍較為準確。

4結語

利用綜合電阻率法對煤礦采空區(qū)進行了全面探測，其中EH4電導率成像系統(tǒng)用于探測煤礦深部采空區(qū)的范圍，高密度電阻率法用于探測地表淺部的隱伏裂縫范圍，探測結果得到礦方驗證。研究表明，探測工作克服了特殊復雜地形條件、工礦區(qū)強電磁干擾等帶來的困難，最終得到分辨率較高的電性剖面和可靠的地質解釋成果，綜合電阻率法在探測深部煤礦采空區(qū)邊界及淺層受采空區(qū)影響的隱伏裂隙帶，比單一方法更準確、可靠。由于該方法存在多解性，且難以排除所有干擾的影響，更為準確的結果需結合地質、水文等資料進行綜合解釋。

作者：袁永榜鮮鵬輝閆國才單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司水文物探所