基于高密度电法的矿井电阻率异常探测研究

吴春梅，刘明瓒，罗 琴，张华宾

（重庆市地勘局川东南地质大队，重庆 400038）

现阶段矿井探测手段大致可分为三大类：第一类为地质调查，即通过对矿山开采资料及地表勘查数据，掌握采区地表分布情况，此种方式的不足点为精度较低，优点为调查成本低；第二类为地球物理探测，此方法包含的方法种类较多，它接近于无损探测，其不足点为探测有多解性，优点为探测速度快、精度高；第三类为钻探，即在地面进行直接开采，它的不足点为所需费用高、无法确定大面积矿床电阻率异常范围，优点为探测精度高。在以上三大类方法中，以地球物理探测技术应用最为广泛。用于矿区探测的地球物理方法主要包括地质雷达法以及电法类方法（如地质雷达、高密度电法、瞬变电磁法、电法CT）。地质雷达探测深度相对较浅；瞬变电磁法对浅部地层的地下采空区探测存在盲区。近年来，高密度电法以其精度高、信息量丰富、布极方式多样化的优势，在各物探领域的探测工作中取得了很好的效果，在采空区探测领域也取得了较为广泛的应用，但相关研究多限于现场应用，针对高密度电法探测矿区电阻率异常模拟研究较少。本次选择保护程度较好、具有代表性的合川区，采用高密度电法及地质雷达两种方法对井下电阻率异常情况进行研究，并用钻探方法对其有效性进行验证[1-3]。

1 探测方法原理

虽然前人对使用物探方法探测井下电阻率异常工作较少，可以用来进行对比分析的资料很少，但是经总结分析已有矿山地质勘探资料后认为，井下的富含水砂层为良导体，选择电阻率法应该有较好的工作效果，因此选择分辨率较高且在工程物探上经常使用的高密度电法作为本次工作的主要物探方法。

高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系统三部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系统各电极的供电与测量状态。主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向电极供电并接收、存贮测量数据。高密度电法系统如图1所示。

如图1所示，高密度电法测量通过在探测矿井地表按照一定电极距均匀布设电极，同一电极在数据采集时既承担供电电极，又作为接收电极，按装置排列来采集测量数据，所测数据主要包含供电、接收电极编号以及一次场及视电阻率。通过电极的移动以达到探测深度的变化，并通过对地下一定深度范围内的视电阻率测量来形成相对直观的剖面视电阻率图，从而对剖面一定深度范围内的地电结构的差异的分析及解释来达到勘探效果。

图1 高密度电法系统示意图

2 矿井电阻率异常探测

物探工作区位于渝西方山丘陵区，降雨充沛，且受小河沟影响，地下水发育，潜水面较浅。物探工作靶区位于肖家镇（图2工作区及周围地形地貌卫星影像）[4,5]。

2.1 电法数据采集

本次探测使用的高密度测量仪器是赛盈地脉技术有限公司（Geomative）生产地GD-10直流电法系统。GD-10系列地电系统具备发射功率范围大、信号精度高、测试功能齐全、野外测试布线简单轻便、长期使用维护成本低等特点。

高密度电法共敷设4条主剖面，1条副剖面，主剖面线距2～3米，点距1m。其中主剖面长71m，副剖面长47m，测线走向均为108°（图2）。

图2 高密度电法剖面及钻孔布设示意图

本次工作使用GD-10型高密度电法系统，电极间距为1m，4条主剖面每条剖面布设72根电极，副剖面每条剖面布设48根电极。每条剖面测量两次，一次为纵向分辨率较好的温纳装置测量，一次为横向分辨率较好的偶极装置测量。一条剖面测量完毕后，现场将数据输入笔记本电脑进行处理，以温纳装置反演电阻率断面图确认异常体的埋深，以偶极装置反演电阻率断面图确认异常体的平面位置，现场确认异常体的形态特征。

2.2 探测结果

根据高密度电法L1剖面的电阻率反演断面图（图3）可知，电阻率可分为3层：①在剖面2.8m深度以上为中高电阻率层，推测为潜水面以上受地表水影响的富水粘土层、砂质粘土层的表现；其中剖面起止点位置的极高阻异常为工作区地形起伏的表现；②在剖面2.8m至3m深以下为一层极低电阻率，推测为井下完全被潜水渗透的富水砂层的表现；③异常层：在剖面水平距离35m至40m，深度约3m处，两种装置均出现一电阻率略高于地下富水砂层的异常体。

图3 高密度电法L1剖面综合成果断面图

Ⅰ温纳装置测得的数据，异常区呈半封闭的相对高阻特征，但由于温纳装置的异常扩展效应，高阻异常范围显得较大，但分层特征明显；

Ⅱ偶极偶极装置测得的数据，表明该电阻率异常矿体处于富水砂层内，其顶部深约5m，底部深约9m，异常范围较温纳装置测得的异常范围小，与偶极装置水平分辨率较高吻合。

在进行了工作地下的电阻率三维可视化模拟，得出该矿井电阻率异常体水平走向约20°，且在该方向水平延展长约5至6m，宽约2至3m，异常体高度约3至4m，顶板深度约5至5.5m，底板深度推测约9至10m。

3 结论

高密度电法的偶极装置对地下微弱电阻率差异的电阻率异常体的横向分辨率较好，能够较好的确定异常体在平面上的位置；而高密度电法的温纳装置对地下电阻率异常体的纵向分辨率较好，对不同视电阻率的地质体分层效果明显，结合两者数据对异常体的位置、埋深进行判断，在与试验区埋藏环境相似的矿区地质勘查上具有较好的效果。本次高密度电法测到的视电阻率高阻部分，其值为50～90（Ω.m），本次工作使用物探加钻探相互验证的方式进行找矿，充分证明物探高密度电法在探测矿区电阻率异常方面是有效可行的。