采空区高密度电阻率法正演模拟研究

采空区高密度电阻率法正演模拟研究牛永效1,2李国和1尚彦军2许再良1许广春11.铁道第三勘察设计院集团有限公司天津3002512.中国科学院地质与地球物理研究所北京100029摘要：高密度电阻率法具有施工便捷、地质信息丰富、数据采集量大等优点，是一种有效的勘察方法，在工程领域得到了广泛的应用，但其不同测试装置有不同的特点，只有对此进行了解才能更好地加以利用。本文采用Res2dmod软件模拟研究了温纳α、温纳β、单边三极和温施等四种装置对不同类型采空区的异常反映特征，研究结果表明，不同装置所反映的地电信息不同。野外工作时，应根据采空区的类型，选择合适的测量装置。关键词：高密度电阻率法；采空区；正演；装置类型Abstract:Thehighdensityresistivitymethodhastheadvantageofconvenientconstruction,abundancegeologyinformation,greatdatacollectionandsoon,Itisaeffectiveperambulationmethodandappliedwidelyinthefieldofengineering.Highdensityresistivitymethodhasdifferentsettingmethods,everysethasitsowncharacteristic.UndergroundcavitiesanomaliesofWenner,WennerBeta,pole-dipoleandWenner-Schlumbergerwereresearchedbyfree2DformardmodelingprogramRes2dmod.Fromtheresearchingresult,wecanseethatdifferentarrayreflectdifferentterraelectricityinformation.Suitablearraywillbedeterminedbydifferentcavitycharacteristic.Keywords：highdensityresistivitymethod;cavity;forward;typeofsetting中图分类号：TF806.4文献标识码：A文章编号：

1引言近年来，随着铁路、公路、水利等大型工程建设事业的迅速发展，采空区工程地质勘察已成为十分重要的关键技术问题之一，引起了国内外地球物理学者的广泛关注，多种物探技术和方法相继投入到采空区的探测研究中。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高，物探越来越成为探明采空区的一项重要勘察手段。高密度电法属是一种剖面法和电测深法相结合的组合式剖面装置，对地电结构具有一定的成像功能，基于地层内的目标体与围岩存在电性差异为前提的探测方法。该方法将直流电由地表供入地下，随供电电极距的加大，电流场向地下的分布深度逐渐加大，目标体与围岩存在电性差异会被测量电极在地表捕获，从而获得目标体在横、纵方向上的电阻率值变化信息[1-9]。高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将大量电极（几十到几百根）置于测点上，利用程控电极转换开关和电测仪实现数据的自动快速采集，利用计算机对实测的数据进行处理，获得不同深度地层的地电断面[10]。高密度电阻率法有温纳α、温纳β、温纳γ，三极，施伦贝谢和温施等多种测量装置，每种测量装置的测试特点有所不同，因此，装置类型选择的合适与否，直接影响到采空区的电性异常反映，进而影响到对采空区的判断与解释[11,12]。这就需要我们我们深入研究研究采空区的不同类型装置的异常放映特征，本文采用Res2dmod正演模拟软件研究不同类型采空区不同装置的异常反映特征，从而为用高密度电法探测采空区时装置类型的选择提供一定的借鉴。2施工装置对采空区探测的影响本文通过研究煤矿采空区的地质和地球物理特征，建立不同条件的采空区模型，采用温纳α、温纳β、单边三极和温施等四种装置对采空区进行正演计算，然后对正演计算的数据进行反演处理，进而研究不同装置对不同地质条件采空区的探测效果。2.1单空区地电模型图1和图2分别为相对高阻和低阻的采空区反演结果，从中可以看出，对于高阻采空区，四种装置都没有明显的高阻异常反映，而对于低阻空区，除了温-施呈弱异常反映外，其它三种装置的低阻异常反映都比较明显。

图1单高阻空区反演模型图2单高阻空区反演模型2.2平行双空区地电模型图3和图4分别为在同一煤层内的双高阻和双低阻空区正演结果，从中可以看出，对于高阻空区，除了单边三极装置有极其微弱的高阻异常反映外，其它三种装置几乎没有任何异常反映。与之相反的是，四种装置对于低阻采空区的反映则很灵敏，以致于掩盖了空区对应位置的低阻异常反映：这种影响在温-施装置中尤其明显，在采空上部形成一层状的低阻异常，无法判断空区的位置；单边三极装置的响应则相对较小，

Wenner-Schlumbergerpole-dipoleWennerBetaWenner对应于双低阻空区的位置有比较明显的低阻异常反映。图3平行双高阻空区反演模型图4平行双低阻空区反演模型2.3上下双空区地电模型

图5上下双高阻空区反演模型图6上下双低阻空区反演模型在实际的工程应用中，在同一位置经常会遇到不同埋深的多层采空区。为此，本课题建立了不同埋深的双高阻和低阻空区，通过正演和反演计算，研究了不同装置的采空区异常反映，如图5和图6所示。与单高阻空区相比，四种装置均有明显的高阻异常反映，除温纳装置外，其余三种装置都能较准确地反映出上层高阻采空区的位置，而下层高阻空区的位置则反映不明显。对于双低阻空区，四种装置的反映比较一致，均表现为一包含上下低阻空区在内的大范围的低阻异常，不能有效区分两低阻空区的准确位置。

图7上下高低阻空区反演模型图8上下双低阻空区反演模型对于水平位置有一定距离的不同埋深的采空区，本文也进行了模拟研究，如图7和图8所示。从中可以看出，对于高阻空区，和图5一样，四种装置仅能反映出埋深较浅的高阻空区：其中，温纳装置为弱异常反映，其它三种装置的高阻异常反映则比较明显。对于低阻空区，和图6对比，由于水平位置的不同，两低阻空区均有较明显的反映，尤其是埋深较浅的低阻空区，反映比较清楚，埋深较大的空区的低阻异常反映则较弱，但不同装置的异常反映则有所不同：温纳和温施装置对两低阻空区的反映相对较弱，而Wennerβ和单边三极对两低阻空区的反映则比较清晰，尤其是Wennerβ装置，其埋深较大的低阻空区也有比较清晰的反映。从上面的模拟中可以看出，当存在有埋深不同的高阻双空区时，四种装置对上面的高阻空区有比较明显的反映，而下部空区的异常反映则不明显。为了验证这个现象，课题组建立了如图9所示的高阻双空区模型，从其反演结果可以看出类似的结果：四种装置中除了温纳装置呈弱异常反映外，其它三种装置上面空区的异常反映均比较清晰。图9双高阻空区反演模型3结论(1)高密度电法对相对低阻采空区的反映比较灵敏，尤其是三极装置，采空区异常反映比较明显，对高阻采空区则没有明显的异常反映。(2)对于埋深不同的双低阻采空区，其水平位置不同，异常特征有很大的不同：当上下空区的水平位置比较接近时，四种装置均表现为一包含上下低阻空区在内的大范围的低阻异常，不能有效区分两低阻空区的准确位置；当上下空区的水平位置比较有一定距离时，四种装置均能区分出上下采空区的异常反映，但埋深浅的采空区异常反映比较明显。(3)对于埋深不同的双高阻采空区，不论其水平位置如何分布，四种装置仅能反映出埋深浅的高阻采空区，但温纳α装置的高阻异常较弱，其它三种装置的异常反映则比较明显。参考文献：[1]陆云祥，陈华根，陈建荣，等.高密度电阻率法在舟山市隧道勘察勘察中的应用[J].地球物理学进展，2010,25(6):2174-2183.[2]李林，石显新，陈明生.高分辨率地电阻率法探查小窑采空区的应用效果[J].煤田地质与勘探，2004,32(增刊)：155-156.[3]张建强，张全录，汤跃超，等.高压输电线塔基煤矿采空区的高密度电阻率法探查研究[J].地球物理学进展，2004,19(3):684-689.[4]叶章，刘鸿福.高密度电阻率法在探测多层采空区中的应用[J].科技情报开发与经济[J].2008,18(21):130-131.[5]王启军，胡延林，都兴锋，等.高密度电阻率法在工程勘察中的应用[J].地球物理学进展，2009,24(1):335-339.[6]袁树森，张志军.高密度电阻率法在地下煤矿采空区探测中的应用[J].矿产与地质，2006,20(3):273-278.[7]金太平，吴一呜.高密度电阻率法在采空区调查中的应用[J].西部探矿工程，2006,117(1):67-68.[8]李玉东，牛淑敏.高密度电法在煤矿采空区探查中的应用[J].中国煤炭地质，2010,22(增刊)：79-82.[9]李军锋，李生路.高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用[J].西部探矿工程，2008，(8):147-149.[10]刘海生.高密度电法在探测煤矿地下采空区中的应用研究[J].太原：太原理工大学硕士论文，2006.[11]祁民，张宝林，梁光河，等.高分辨率预测地下复杂采空区的空间分布特征-高密度电法在山西阳泉某复杂采空区中的初步应用研究[J].地球物理学进展，2006,21(1):256-262.[12]秦福刚，戴隆沛，李磊，等.高密度电阻率法的装置特点及其在水源勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2007,4(4):323-326.