高密度直流电法在小窑勘察中的应用分析

冉 云

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 概论

高密度直流电法是一种将电剖面与电测深法融为一体的多装置多极距组合的阵列勘探方法。野外装置排列有十多种，分为固定断面扫描和变断面连续滚动扫描测量。由于一次布点多，采集信息量大，在地质灾害勘查中得到广泛应用。特别是在山西小窑煤矿采空区勘查中，由于开采规模较小，开采方式落后，回采率极低，勘查难度高。高密度电法通过缩小电极间距等措施提高横向、纵向上分辨率，取得了很好的效果。

2 应用中几个问题的探讨

2.1 勘探深度的确定

高密度电法在原理上与直流电法一致，最大供电极距的大小和地下介质电阻率的分布状况，是影响高密度电法勘探深度的主要因素。

2.1.1 供电极距的影响

图1 均匀各向同性半空间两个点电源的电流密度分布图

图2 电流密度比值随深度变化曲线

如图2，当供电电极AB一定时（r一定），h增大，JM/JO迅速减小。一般地，我们认为当JM/JO≥0.8时，M点电流密度观测值变化能够被识别并反映地下异常体，即h大约为供电电极AB的1/5深度。实际生产中，勘察深部层位时，可通过加大供电电压来增大深部测点的电流密度值。

2.1.2 勘探深度受地下介质电阻率的分布影响

实际生产实践中，由于地层复杂多变，电阻率不同的地层排列多样，应根据目标地层电阻率及上覆地层情况作出勘探深度初步研判。在目标体电阻率较小且上覆地层电阻率不很大时，勘探深度相对较大，有时接近AB的1/4；若上覆地层电阻率很大，尤其是地表覆盖厚层高阻体（如厚层灰岩、火成岩），有效勘探深度会大幅减小，有时勉强达到AB的1/6。

野外施工布线时，可以结合测区的地形、地层岩性及水文资料，参照目标体埋深的6倍计算极距布线勘察。

2.2 数据的甄别及处理

2.2.1 地形的影响与校正

高密度电法受地形的影响较大，局部隆起或下凹都会造成局部数据畸变，出现假异常。因此，在野外的施工过程中，应考虑哪种装置受地形的影响最小。详细记录沿测线的地形变化与相应测点的对应关系，以便室内资料处理中进行甄别。目前有软件带有地形数据校正的功能，但效果不是很理想。

2.2.2 八字异常数据

接地电阻的大小对采集数据的质量影响较大。接地电阻过大会形成类似表土不均的异常，表现为有规律的八字异常，异常范围内曲线整体抬升或下降，形成局部高（低）阻假象，给解释带来困难。在野外的施工过程中，通过改善电极接地条件，能够消除部分此类异常数据。

2.2.3 数据的反演

对于高密度电法野外采集数据的处理，国内许多生产单位一般选用的是瑞典的Res2dinv软件。但在反演过程中，由于边界条件的设定差别及减小拟合误差过程中，有些需要仔细甄别的轻微异常会被反演曲线“平滑”掉，因此，要慎用反演。

2.3 电阻率曲线的解释

野外数据采集要严格按照规定施工，详细记录测点附近存在的干扰因素。室内解释中，尽量避免对曲线做平滑处理，结合测区地质水文条件仔细分析曲线的拐点、疏密等细微变化，推测其中蕴藏的地层结构变化信息，做出合理的地质解释。

3 工程实例

在山西公路勘察中，经常会遇到小窑采空区。这些采空区大都规模较小，回采率很低，地下巷道分布毫无规律，且缺乏必要采掘资料，无法对采空区的范围进行具体划定。特别是部分矿区矿层顶板岩层风化，矿层较薄，大都属于个体开采，因而开采规模更小，勘察的难度更大。

3.1 山西东南部某公路路基煤矿采空区勘察

据前期调查，路线通过区地下曾有过煤矿开采，主要是个体、集体煤矿。煤层较薄，埋深约50 m。测区内主要地层有第四系全新统、上更新统、中更新统、上第三系上新统、二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。煤层赋存于山西组和太原组，顶板完整性很差，煤层富水，巷道2～3 m宽，坑木支护，房柱式开采，回采率很低。测区地形较为平坦，地面黄土覆盖，电极接地条件较好。根据实际情况，我们选用高密度电法勘探，测点距5 m，120根电极。

图3 小窑采空区电法勘察视电阻率拟断面图

由于测线经过区地形平缓，勘察数据基本未受地形影响。根据收集到的附近煤矿钻孔资料，对勘察深度进行了校正，大约为供电极距AB的1/4～1/5间。我们分析认为，勘探深度偏大是由于煤层上覆地层大部分为第三、第四系黄土及薄层砂岩，电阻率较低，加上煤层富水性强，表现为低电阻率特征，向下吸引电流线所致。

对本区的高密度勘察数据解释，我们采用了原始数据，未做平滑处理。对目标埋深范围的5道电阻率曲线进行横向、纵向分析比较，结合测区地质水文资料划定4处低阻异常区，并在4 000与4 160处布设钻孔进行验证。结果显示，分别在52 m与56 m处掉钻。

图3b是本测线数据的反演断面图。图中电阻率曲线横向上虽然也表现有起伏变化，但难以分辨这几处异常区域。就本次勘察而言，造成反演结果图件无法准确识别异常的原因，主要是由于本次勘查区域顶板结构稳定性差，且基本为小窑开采，回采率很低。相应地，采空异常信号表现不太明显，需要具备一定的采空区勘察经验，结合地质资料仔细甄别。而数据在反演过程中，软件为减小拟合误差而将曲线圆滑，这样，不太明显的异常区信号就被“平滑”掉了。因此，在小窑采空区勘探中，严格野外数据采集工作，确保原始数据的可靠性；室内数据解释中，尽可能避免对数据作平滑处理，以视电阻率曲线图件为主，反演图辅助。

3.2 铝矾土矿采空区勘察

山西西部某地的公路通过一铝矾土矿区，由于开采资料缺失，无法确定开采范围。经过调查，测区内地层简单，岩性主要为黄土、泥岩、灰岩，岩层富水性较差。区内铝土矿层赋存于本溪组，埋深约50 m，矿层厚约2.5 m，下伏为灰岩。测区地形上东西狭长平缓，南北起伏较大。根据测区实际情况，采用高密度电法勘探，东西向布线，测点距3 m，共96根电极。

图4 铝矾土矿采空区勘察视电阻率拟断面图 （单位：m）

图4为中间测线的视电阻率拟断面图。根据电阻率曲线变化，结合测区的地层岩性资料，圈定了3处异常区。其中99 m处钻孔在49～50.7 m掉钻，据此钻孔资料对测线勘察深度进行了校正，大约为AB极距的1/4。这同样由于目标层上覆地层岩性为低电阻率的黄土、泥岩，使得深部测点的电流密度相对增大，从而加大了勘探深度。

在本测线的地质解释中，100 m附近的曲线异常较为明显，而150 m附近的曲线异常很不明显，需要进行横纵向仔细辨认。钻孔结果在54 m见冒落带，也对应了此处的微弱异常。

图5 铝矾土矿采空区勘察数据反演图

图5为同一测线勘察数据的反演图。我们根据其中的电阻率曲线横向上起伏变化无法辨认100 m和150 m的异常区。只在95 m附近有低阻表现，但难以确定低阻区的具体位置；150 m处的异常区基本无法辨认。对比视电阻率曲线图与反演图件，我们认为，在小窑采空区勘查中，由于开采规模小，相应地物探异常信号较弱，数据的后续处理与解释中，慎用反演图件。工作中应以视电阻率曲线图为主，反演图为辅进行地质解释更为合理。

4 小结

高密度电法同时拥有剖面法和电测深法的功能，具有数据采集密度大、分辨率较高的特点，能较直观、形象地反映电性异常体的形态和产状。它是一种高效和经济的勘察手段，对解决小窑采空区、岩溶发育情况，能取得较好的勘查效果。

a）野外施工前，应当根据试验确定合理的装置形式及电极距。

b）小窑采空区勘探的数据处理解释中，慎用反演。视电阻率拟断面曲线图所蕴含的信息比反演图件要丰富得多。

c）对电阻率曲线图件，应结合测区的地层水文资料，分析曲线的形态、拐点等，圈定采空区范围，尽量避免对原始数据进行平滑等处理。