利用高密度电法探测煤矿采空区范围及走向

利用高密度电法探测煤矿采空区范围及走向
（石家庄经济学院，石家庄 050031）
摘要：本文以河北省沙河市某地煤矿采空区探测为工程实例，利用高密度法信息量大、探测精度高等优势，借助探测浅层地下含水裂隙带的异常形态，进而推断深部开采沉降带所导致的塌陷和裂隙位置，从而有效延伸了高密度电法在矿区开采沉降灾害评估中的勘探范围。

关键词：高密度电法；开采沉降；含水裂隙带
Abstract : In this paper, take the case of underground coal mine goaf detection in a village in Shahe City, Hebei Province, choosing high-density resistivity method of information-rich, high precision detection edge to detect shallow aquifer through fissures with abnormal morphology, and then determine the result of mining subsidence with the collapse and fracture location, and accordingly , we can extend effectively the exploration scope of the high-density method in the disaster assessment of the settlement of mining.
Key words: high density resistivity method; exploitation subside; fracturation water zone
1 前言
高密度电法因其成本低、效率高、测量精度高等优点，近年来在探明浅部开采沉降的工作中已经取得了非常好的效果并已获得广泛的推广应用。

然而，其应用的一个最大瓶颈就是探测深度有限，无法对深层开采沉降进行有效勘探。

对此我们基于采空区沉降地质结构特征，在建立相应地球物理模型的基础上，开展了高密度电法探测深部采空沉降区的试验性的研究，取得了令人满意的效果。

2 采空沉降结构及其地球物理模型
2.1 采空沉降的结构特征
岩层和地表中的影响统称开采影响或开采沉陷。

发生在所在煤层上面岩层内的开采影响叫“顶三带”，即冒落带、导水裂缝带和弯曲沉降带；发生在所采煤层下面岩层内的开采影响叫“底三带”，即鼓胀带、微裂隙带和应力变化带。

开采影响在地表产生的下沉盆地，按其形成发展过程及最终形态可划分为中央区(以下沉为主)、边缘区(以下沉一平移为主)及过渡区(以微平移一微下沉为主)。

2.2 采空沉降区的地球物理模型
一般说来，煤系中的粘土岩、泥岩、页岩，其电阻率为一至几十Ω·m ，粘砂岩电阻率在数十至数千Ω·m ，煤层电阻率也为数十至数千Ω·m 。

这些数据可以作为开采前地质背景参考值或经验值。

煤层开采之后，覆岩变形破坏自下而上依次产生冒落带、导水断裂带和弯曲变形带。

在冒落带中，在采后一定时间里松散岩石块被压实，电阻率远比正常值大得多。

根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带产生的电性差异较大这一特征，为利用高密度电阻率值法探确定“三带”的范围提供了可行性。

3 高密度电法的探测技术
高密度电阻率法通过A 、B 电极向地下供电流I ，然后在M 、N 极间测量电位差△V ，利用一个几何系数K ，从而可求得该点(M 、N 之间)的视电阻率值如式：ρs = K ·△V ／I 。

电阻率法的探测深度随着供电电极AB 距离的增加而增大，当隔离系数n 逐次增大时，AB 电极距也逐次增大，电流向地下传递的更深，对地下深部介质的反映能力亦逐步增加。

然而，由于高密度电法仪器功率往往达不到测量深层地质体的要求，AB 之间实际工作时的极距无法达到理论所需要的长度。

因此，高密度法对深层地质体理论上无法进行直接探测。

分析测区地质情况可知，采空区所引发其上覆地层发生的沉降往往会使得地表水沿着沉降产生的地层裂隙向地下流动在浅部裂隙带中形成连续的水体，而沉降程度的加大导致这部分水体出现相对不连续等异常形态特征，由此可以间接推断深部采空区地质分布情况。

4 应用实例
本文以河北省沙河市某村庄地下采空区勘探工作为例，说明了高密
度电法在第四系覆盖的地区探明深层开采沉降中的应用。

4.1测区地质概况及工作布置
测区覆盖整个村庄及该村庄与煤矿之间。

整个测区位于丘陵区，区
内地势较为平坦，总体是西北高东南低。

一般30—100m 多为第四系（Q4）
覆盖，丘陵地带发育有多种成因的黄土层、大面积的粘土砾石层和现代
河床砂砾石层，厚度变化较大，，下伏基岩由老至新为太古界、中上元
古界、下古生界寒武系和奥陶系、上古生界石炭系和二迭系。

煤矿位于
该村庄东南部，已开采多年，最近两三年间地表出现不均匀沉降，致使
测区内该村多户居民住房出现了裂缝。

为了较好的查明本区内是否存在
地下采空区和采煤巷道，根据现场实地考察判断裂隙大致走向，房屋的沉降情况，结合本区地质、地形、地貌条件和矿方所提供的采空区的分布
状况，布置了覆盖全区的6
条物探探测剖面，基本可以查明该村庄地下采空区的分布及其沉降影响范围，图1 物探工作布置图
进行测线布置如图1所示。

测量采用E60CN 型高密度电法仪测量系统，观测参数为视电阻率ρs 值。

实测时一次性布设电极系统，设置仪器的采集参数和装置参数，即可自动进行断面视电阻率值的测量和存储记录工作。

室内将仪器内韵数据回放至微机，用处理软件将数值进行反演成图得到成地电影像图(视电阻率断面图)，异常形态清晰明了。

视电阻率断面图可真实清晰地表现测线断面上视电阻率ρs 值的变化特征，根据已知的测区内的物性特征，即可比较详细地判断出地下各种地质体的赋存状态。

本次测量采用三种装置类型：1.温纳装置，2.偶极装置，3.对称四极（施仑贝格）装置。

测量点距为10m ，AB 距离根据现场条件灵活使用，分别为480m,480m, 480m,400m,400m,640m 。

4.2 测量结果及资料解释
根据现场仪器采集的数据
进行反演分析整理，并对其中一
条典型测线作出解释得到反演
解释图（见图2）。

对此测线所得剖面作如下
分析：
图中虚线为不同装置探测
时异常区所对应的相同测点位
置连线，实曲线为圈定的裂隙含
水带疏干形成的高阻区。

可以看出，不同装置探测得到的异常区域位置基本吻合。

第四系覆盖层接触面含水层出现断裂，地下水疏干后形成5个高阻区，位置分别为：140～170m 、210～250m 、320～340m 、420～460m 、490～560m 。

根据该测区地下地质结构可知，由于地下浅层裂隙含水带与其周围地质体有着很大的电性差异（含水带处于相对低阻），因此使用高密度电法对相对浅层的含水带的电阻率异常的探测有着较高的分辨率。

最终，物探测得的浅部高阻带除了位于该剖面490～560m 处的异常外均被证实属采空区存在的反映，物探异常处，房屋都出现裂缝，裂缝的走向和物探推断基本吻合。

可以证明含水层的缺失断裂是与地下采空区产生的塌陷没落有着直接关系，通过含水层的异常形态对采空区及塌陷没落带的位置判断上有着较高的准确性。

通过将以上勘查结果结合现场沉降调查资料表明，矿方有越界开采行为。

同时说明高密度电法探测，能够比较准确地反映出地下已开采区沉降影响，其有效性达到了工程地质勘查的要求。

5 结论
① 该工程实例表明，高密度电法是进行开采沉降灾害评估的一种有效方法，相比其它物探方法，具有成本低、效率高、抗干扰能力强、地电信息丰富、探测精度高等优点。

② 高密度电法的探测资料分析要参考各种已知的地质信息，排除干扰因素，才能取得正确的结论。

③ 利用浅层地下裂隙含水带分布模型的水体缺失来作为地下开采沉降存在标志，并进而推测出更深处地质体的地质形态成功克服了高密度电法的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；受测量电极间距、隔离系数的限制，导致该方法的探测深度相对较浅等主要缺点。

④ 实践成果表明，该方法对探寻地下采空沉降引起的不良地质状况可取得较理想的探查效果，为工程建设提供了可靠依据，节省了勘察费用，具有很好的经济价值和推广价值。

参考文献
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图2 反演解释图。