高密度电阻率法在陡倾煤层采空区中的勘查应用

王浩臣 杨镜明

（核工业二一六大队）

地下煤矿体采出后所留下的深部空间区域被称为煤田采空区，当煤矿从地下被开采出来，上覆盖岩层失去支撑而导致平衡状态被破坏，为达到新的平衡，内部应力会重新分布。煤田采空区及其影响区内岩层的完整性被破坏，从而导致其电阻率、密度、弹性的物性特征等发生了改变。采煤所引起的山体滑坡、地面塌陷、地面不均匀沉降、地下水疏干等地质灾害已经对水利与电力工程设施、公路建设、生态与人民的生活带来了直接性的危害［1-3］。近年来，依据新疆经济发展的要求，城市基础建设已向周边扩展到八道湾、白鸟湖新区等煤田采空区区域，针对采空区勘查的工作越来越重要，不同采空区所采用的方法及技术也有所不同，因此，解决乌鲁木齐地区煤炭采空区的勘查具有重要的意义。

新疆乌鲁木齐地区煤层多呈陡倾煤层，其下部采空区易垮塌，自身稳定性差，难以在地表形成“拱”，采空区大多具有空洞内填充物堆积，且填充状况复杂，多有空洞分布且无规律，自然垮塌、变形时间长，难以稳定的特点。近年来，高密度电阻率法成为高信息量的工程勘察方法，其显著特点是施工快捷、数据量大、分辨率高、可靠性好、图像直观，已成功运用于各类采空区勘查等，同时该方法对地形条件要求较高［4-7］。

1 高密度电阻率法勘探原理

高密度电阻率法是结合水文地质、工程地质及环境地质调查的实际应用而研发的一种常规电阻率测量方法，该方法以岩、矿石之间电阻率差异为基础，通过分析电阻率数据的分布特点和变化规律，来查明和寻找地下电性不均匀体。高密度电阻率法可以在野外采集大量数据，且数据质量较好，观测精度高。

本次高密度剖面勘测采用温纳α装置，该测量装置的电极排列特点是A-M-N-B，其中A极和B极为高密度电阻率法供电端电极，测量端电极为M极和N极。观测过程中，AM、MN、NB为相等的电极间距，A、M、N、B极同时沿剖面均匀移动，得到第一层剖面；接着电极间距都增大1 个等级，4 个电极再次沿剖面均匀移动，向深部得到第二层剖面；按上述步骤操作，不断测量下去，得到一个倒梯形高密度剖面；数据图形的排列方式也为倒梯形（图1）。

2 采空区勘探实例

2.1 地质概况

勘测采空区所在区域位于大地构造上，区域南部山区为天山褶皱带，区域中部平原为山前凹陷带，区域北部沙漠区为准噶尔地块，其间以深大断裂为边界。采空区在区域上位于北天山褶皱带北缘，准噶尔坳陷区南部之次一级构造乌鲁木齐山前坳陷的七道湾背斜和八道湾向斜中。

根据乌鲁木齐山前坳陷八道湾地区构造纲要图（图2），场地处于八道湾向斜的南翼，勘查区范围涉及八道湾向斜、七道湾背斜褶皱以及碗窑沟断层等构造。

区域内七道湾背斜主要分布在七道湾至水磨沟河以东，呈一弓背向北的弧形，轴面倾向南，背斜向东翘起，向西倾伏。八道湾向斜位于七道湾背斜南，2 轴相距1.5 km 左右，构造轴线方向与七道湾背斜基本平行。八道湾向斜西宽东窄，轴面南倾，向斜由西向东缓缓翘起。向斜两翼地层倾角不等，分布地层为头屯河组与西山窑组。

第四系（Q）分布广泛，遍布井田，厚薄不一，直接覆盖在侏罗系地层之上。除八道湾河两侧有基岩出露外，几乎全被覆盖。覆盖层上部大部分为黄土，黄土下为砾石层，砾石层最大厚度达60 m。砾石层按成因又分为冰碛层、坡积层、冲积层等。

头屯河组（J2t）分布于矿区北部，B33 号煤层之上，为河湖相沉积。岩性以灰绿、紫红、深灰色泥岩，细砂岩为主；次为中粒砂岩和砂质泥岩，间夹砂岩、炭质泥岩和1～3 层薄煤；杂色条带明显；全组总厚630～700 m，与下伏地层呈整合接触。

西山窑组（J2x）为井田主要含煤地层，呈北东—南西向带状展布在井田中部，倾向北西，为湖相、泥炭沼泽相沉积。岩性由灰白、灰、深灰色中粒砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成。

三工河组（Jls）呈北东—南西向分布于矿区的南部，为一套河湖相沉积。岩性以灰绿色细砂岩与中、粗砂岩互层为主。细砂岩多呈薄层状，矿物成分复杂，富含白云母碎片；中、粗粒砂岩呈厚层状。矿物成份以长石、石英为主，有少量白云母。粒度分选差，斜交层理较发育。底部以一层灰绿色致密坚硬的中粒砂岩与下伏地层整合接触。地层总厚度为235～410 m。

结合地质概况，本次勘测在初步查明该区域采空区空间分布特征的基础上，查明场地与北侧采空区边界分布关系。勘测区周边交通便利，八道湾路位于勘查北侧，位于东二环西侧。勘查区西南侧为一驾校，区内有部分未拆迁完成的厂房及民房、清真寺等建筑；区内地面基本适合开展高密度电法工作。

2.2 野外工作方法及目的

根据采空区的位置和地形场地条件，在拟建区布设高密度电阻率法勘测剖面共计3条，确定采空区边界，为拟建厂房设计及后续采空区勘探物探方法选择提供依据。高密度电阻率法测量时，根据剖面的长度及电极距离不同，剖面电极个数选择90或120个，电极距为5～10 m，最大间隔系数为36，最终数据反演采用快速最小二乘法。

3 条高密度电阻率勘测剖面中，高密度-1、高密度-2 剖面沿南东—北西向平行展布于勘测区内，高密度-3 剖面为短剖面，位于勘测区东南角，垂直于前2条剖面。工程布置如图3所示。

2.3 高密度电阻率法剖面电阻率异常特征

2.3.1 高密度-1剖面异常特征

高密度-1 剖面共布设电极120 根，电极距为7 m，剖面总长度为833 m。剖面反演成果综合地质解释推断见图4、图5，图4 为进行6 次迭代后的深部断面电阻率异常结果，图5 为进行3 次迭代后的结果，通过对实测数据进行不同次数的迭代对比，可以判断出不同深度的断面信息。

（1）高密度-1剖面0～336 m区段地表以浅为厚度15～20 m 的低阻层，为第四系覆盖。地层裂隙发育，含水较丰富，该区段地表较多裂缝，裂隙，地层风化强；高密度剖面①～②区段为地表低阻体，在-10～-40 m深度有一宽约63 m的高阻体，推断为北大槽煤层主煤层位置，局部分布薄煤层。

（2）高密度-1剖面③～④区段下方0～130 m深度范围内呈现大面积低阻区，该低阻异常带推断为采空塌陷区域，推断为受煤层开采影响的裂隙发育岩体有关。

（3）高密度-1 剖面④～⑤区段深部40 m 左右有一高阻异常体，其异常边界为高密度剖面420～476 m，综合地质解释推断为南大槽主煤层位置，局部分布薄煤层；近地表浅层有第四系覆盖。

（4）高密度-1剖面553 m至剖面终点浅部高阻异常带推断为基岩浅层地表水疏干区，结合区内抽水井出水情况，推断该区域深部积水是由西侧深部积水区涌入。

（5）高密度-1 剖面最东段，以剖面710 m 位置为中点，深部35～50 m 有一条带状高阻异常带沿近东西向展布，推断在该位置下方存在空洞，由于电法测量的体积及旁侧效应，在测线中心位置两侧的空洞及其他高、低阻异常体均会在电法剖面上产生高阻或低阻异常。该异常段浅部为高阻带，2 条高阻带中间夹低阻体B1，推断该低阻异常为浅部积水。

综上所述，结合区内前人地质资料推断，该剖面①～⑤区域为煤田采空塌陷影响区域，⑥区域附近为采空区边界位置，剖面553m 位置为采空塌陷区影响边界位置。

2.3.2 高密度-2剖面异常特征

高密度-2剖面与高密度-1剖面具有类似的电性分布特征。高密度-2 剖面共布设电极83 根，电极距为10 m，剖面总长度为820 m。剖面反演成果综合地质解释推断见图6。

（1）第四系覆盖厚度为15～20 m。高密度剖面0～410 m区段地层裂隙发育、含水丰富。地表下0～-15 m呈条带状低阻异常带，推断解释为含水区域。

（2）高密度-2剖面①～②区段的地下30～50 m深部，有一明显中高阻异常体，该中高阻异常体西侧相同深度同样出现一形态大小相同的高阻异常体，推断该范围区段为北大槽煤层主煤层位置，周围分布薄煤层。

（3）高密度-2 剖面③～④区段由浅部到深部呈现高阻异常，局部低阻异常推断为破碎积水；该区段综合地质推断为南大槽主煤层位置，局部分布薄煤层。

（4）高密度-2 剖面570 m 附近有一出水井，出水量较好，根据断面图所示，该区段深部呈明显的低阻异常区，其东侧30 m左右20～30 m深度有一明显低阻异常区，地质推断该区域位置为地下积水区。

（5）高密度-2 剖面东段690 m 处的30～55 m 深部为A2高阻异常体，近东西向展布，推断在该位置下方存在空洞，引起该高阻异常特征，由于电法测量的体积及旁侧效应，在测线中心位置两侧的空洞及其他高、低阻异常体均会在电法剖面上产生高阻或低阻异常，且该剖面南侧高阻异常高于其北侧。该异常段浅部为高阻带，2 条高阻带中间夹低阻体B2，该低阻体位于15～25 m 深度，推断该低阻异常为疑似充水空洞。

结合地质及矿山资料综合推断，高密度-2 剖面①～④区域为煤田采空塌陷破碎区域，推断剖面455 m 附近的位置⑤为采空区的边界，550 m 附近的位置⑥为采空塌陷区影响边界位置，施工设计期间应注意。高密度剖面550 m 至剖面终点区段为基岩浅层地表水疏干区，推断该区域深部积水是由西侧深部积水区涌入。

2.3.3 高密度-3剖面异常特征

高密度-3 剖面共布设电极120 根，电极距5 m，剖面总长度为595 m。剖面反演成果综合地质解释推断见图7。

（1）高密度-3 剖面0～340 m 的0～10 m 浅层区域呈明显的高阻异常带，在170 m 附近有水井，该水井位置下方15～40 m 深度呈明显低阻异常，推断为地下积水区。

（2）高密度-3 剖面整体高低阻异常交互出现明显，异常呈近球状特征，综合地质推断解释该剖面下伏地层岩石破碎、局部含水。剖面240～265 和285～315 m 区段中20～55 m 深部有2 个低阻异常体B3-1、B3-2，由于电法测量的体积及旁侧效应，在测线中心位置两侧的空洞或异常体均会在电法剖面上产生高阻或低阻异常，因此推断该区段深部有疑似空洞。

（3）高密度-3 剖面①～②区段范围内呈明显高阻下伏中低阻异常形态，建议在该区段范围内250 m附近布设钻孔ZK03，钻孔深度为50～90 m，探明其深部附近电阻率异常体原因。

（4）高密度-3 剖面在90～110 m 区段20～35 m 深部，有一处A3-1 高阻异常；在165～205 m 区段的50～70 m 深部，有一处A3-2 高阻异常。由于体积及旁侧效应，2 处高阻异常之间平面距离约40 m，且深部高阻异常与浅部高阻异常中间夹一层低阻异常带B3，推断为地下水积水区，因此，推断深部2 个高阻异常为地下空洞所致。

2.3.4 采空区平面异常推断解释

该区采空区深部积水主要呈低阻特征，浅部采空区具有相对高阻特征，采空区主要分布于明显低阻及高阻接触带范围内。根据以上3 条物探剖面成果及相关地质和矿山资料综合推断解释，调查区采空及影响范围主要位于勘查区西侧（图8），主要特征表现为圈闭的高电阻率异常及低阻异常向深部延伸特征。图8 中虚线为煤田采空塌陷破碎影响区的边界位置。

3 结论

（1）本次物探勘查根据高密度电测深法、地裂缝调查和地质资料综合解释，基本查明拟建区内煤层采空及影响区的平面及纵向分布范围，可供下一步钻孔布设、拟建污水处理厂选址设计参考。结合电法剖面解译，拟建场地内共有高阻异常5 个，分别为A1、A2、A3-1、A3-2、A4，低阻异常5 个，分别为B1、B2、B3、B3-1、B3-2，均在剖面深部50 m 以浅发现，推断为地下空区造成。

（2）综合推断解释采空及影响区主要分布于调查区西北段，采空影响区上部因采空塌陷破碎地层水疏干，整体呈高阻特征，深部低阻异常为采空积水区。

（3）调查区西段第四系覆盖电性特征为连续的水平层状低阻；东段第四系覆盖为不连续高阻特征。综合推断，东部因水井抽水原因浅部地表水疏干，而深部受西部采空区积水涌入影响，深部含水丰富，存在地基沉降可能，同时岩体完整性遭到破坏。

（4）虽然高密度电阻率法用于地下陡倾煤矿采空区探测可以取得更好的效果，但该方法也存在探测深度不够的问题，建议今后加大数据采集量，结合其他物探方法综合研究，提高探测效果。