高密度电阻率法在辽阳兴隆铁矿突水点勘探中的应用

张国伟

摘 要：本文首先分析讨论了采空区突水点的形成的原因和过程，采空区突水点的地质特征及地球物理特征。本文有所不同的是在铁矿采空区突水问题，解决的问题思路是从低阻、低波阻抗中寻找异常，从普遍性中寻找特殊性，所以本文从铁矿采空区突水点的物性基础出发，按照不同物探方法原理筛选，以高密度电法勘探最为优先，在放大电阻率背景的前提下寻找电性异常。文章以实例阐述高密度探测采空区突水点的可行性。通过对实际铁矿采空区突水点的电法断面分析研究，归纳总结了铁矿采空区突水点在电法断面上的反映特征和识别标志。

关键词：高密度；电阻率；采空区；突水点

0.引言

近年来随着国民经济的快速发展，矿山开采日益繁荣，但在大规模开采过程中矿井突水事故频发。矿井中突水主要是在掘进或采矿过程中当巷道揭穿导水断裂、富水溶洞、积水老窟，大量地下水突然涌入矿山井巷的现象。在富水的岩溶水充水的矿区及顶底板有较厚高压含水层分布的矿区，在构造破碎的地段，常易发生矿井突水。当巷道底板下有间接充水层时，便会在地下水压力和矿山压力作用下，破坏底板隔水层，形成人工裂隙通道，导致上部高压地下水涌入井巷造成突水。

本文通过辽阳市弓长岭区兴隆铁矿内采掘空区突水点为研究对象，利用高密度电阻率法，还原采空区下原始地质形态及结合岩性反演技术解释实际地质构造，排除安全隐患，探查采掘空区内突水点情况。

1.高密度电阻率法的原理及特征

直流高密度电阻率法属于电阻率法范畴，它是为了实现环境地质调查和解决水文工程问题而研制的一种阵列电探系统。该系统包括两部分： 数据采集系统和数据处理系统。数据采集时只需将电极一次布设完成，之后即可对剖面进行数据观测。一次观测即可完成剖面的二维勘探，既能完成所探测异常体在某一深度上沿水平方向岩性变化，也能反映其在垂直方向不同深度上的岩性变化规律，获取较为丰富的地电信息[1]。

与常规电法相比，高密度电阻率法工作效率高，劳动强度低，探测精度较高，高密度电法在电极布设和观测形式上做了改进，使电法勘探的智能化程度大大提高[2]。

2.采空区及勘探区域电性特征分析

当采空区保存完整且基本上未充水时，在电性上是典型高阻体；采空区塌陷且基本上未充水时，亦為高阻体；而采空区充水或塌陷充水时，则将成为低阻体，且随水的含盐度与塌陷溶融状态而有程度上的不同。

通过对该地区地质资料及物探资料的收集，可以大致对勘探区域内电性特征有了初步了解。浅部第四系亚粘土、砾砂较薄，深度3-8m左右为高阻显示，电阻率范围为18-40Ω·m；中部风化带富水区为低阻显示，深度变化区间在4-22m左右，电阻率3-15Ω·m；下部太古界鞍山群茨沟组地层为高阻显示，深度22m以下，电阻率45-60Ω·m；磁铁矿脉为特低阻显示，电阻率为10-4-6*10-3 Ω·m；采空区充水为低阻显示，电阻率为5-18Ω·m，采空区未充水为高阻显示，电阻率为20-35Ω·m。

3.数据采集

3.1采集原理

采集的数据均按剖面数由小到大的顺序分层存储，每增大一个剖面系数则该层数据量减3，结果为梯形区域，显示为梯形图形和影像。当两者的通道总数为120道，最小剖面数nmin=1，最大剖面数nmax=30时，单排列温纳共采集2205个视电阻率数据；工作中每排列的文件名以测线号和装置模式为前提，便于检查、存储。

3.2探测装置

本次工作采用2m点距的温纳（WN）装置进行施工。所谓温纳装置，即等比对称四极装置，其电极排列规律是：A，M，N，B（其中A，B是供电电极，M，N是测量电极），AM=MN=NB为一个电极间距，随着剖面数n由n（min）逐渐增大到n（max），四个电极之间的间距也均匀拉开。该装置适用于固定断面扫描测量，其特点是测量断面为倒梯形[3]。

4.数据处理

结合本区地质任务，制定处理流程，并选择合适的处理参数，针对采空区资料进行保留采空区特点和减少采空区影响的二次处理，采用线性滤波，减少畸变。

外业采集的原始数据经检查验收后，转入计算机回放，由RE S2DINV高密度电阻率数据二维反演软件完成，使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演，反演过程压制系数随厚度的增加而增加，为稳定反演过程，压制系数随层深度增加以1.2倍增强，迭代次数通常使用3-6次，收敛误差值一般不大于5%。并用GRAPHER、WINSURF软件对反演结果进行整理，绘制出曲线及断面图等。

5.高密度解释成果

5.1剖面解释

测线分布为北东向，线长为240m ，测线的小号端位于测区西南端。该电性剖面总体看也分三个电性层，也是高-底-高形式的电性反应，但是浅部电性层较薄，且电阻率值也较低，基本是黄色区域，厚度大约在3-4m 左右，中部的低阻区域应为强弱风化带的反映，即蓝—绿色区间，该层段较稳定，深度范围在4-20m 之间，蓝色区域推断富水性较好，在此区段有3个蓝色警示点，分别在58m下方、107 m下方和178 m下方；下部的红色高阻区（即20 m以深），应该是太古界鞍山群茨沟组地层，从底部的红色区域看，地面桩号64m-128m区段地层稳定，且连续，电阻率值均匀变化，而到了桩号128m附近，电性曲线发生扭曲，部分曲线出现向下的漏斗状，说明该部位亦是构造变化点，故推断为断层点，断层产状西北，在往右剖面的底部出现黄绿色小的低阻体，分析判断为巷道反映（图4.1）。

5.2断层展布

从本区高密度反演后的视电阻率拟断面图可以清晰看出，本区导水通道正是由断层透水所引起。将各条剖面线上断层位置投影到平面图可以展布出本区断层（F）的延展方向，断层走向大致为近东—西向。

6.实际验证效果

在施工完本区高密度勘探后，矿方按照勘探报告中所给孔位进行施工，共完成钻孔4个，孔深65m，开孔直径0.273m，终孔直径0.219m，4个钻孔全部打在断层上盘，有裂隙水流出，水量中等，后期经灌浆封堵，突水问题得到控制。

7.结论与建议

7.1结论

1）所选择高密度电阻率法在这次对采掘空区内突水点勘探中，取得令人满意的探测效果。视电阻率断面图更形象、更直观地反映本区的电性分布及结构特征，准确探查出突水点的位置。

2）通过对资料的解释与分析确定了本区导水通道的形成正是由断裂导水所引起。

7.2建议

根据高密度所获得的反演成果结合后期钻孔数据，建议对已完成的4个探水孔进行帷幕灌浆施工，对断层裂隙进行堵封，并将未完成的5#探水孔继续进行钻探，与之前4个钻孔相连通，对突水点彻底进行封堵。

参考文献

[1] 董浩斌，王传雷.2013.高密度电法的发展和应用[J].地学前缘，10 （1） ： 171-176.

[2] 吕玉增，阮百尧.高密度电法工作中的几个问题研究[J].工程地球物理学报，2005，2（4） ：264-269.

[3] 工宇玺.高密度电阻率法的主要装置特点与应用[D].成都：成都理工大学，2010.