曹靜，董曉強，吳燦燦

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

高密度電法對多采空區(qū)探測效果模擬研究

曹靜，董曉強，吳燦燦

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

隨著煤炭資源開采整體戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)移，復(fù)雜條件的開采環(huán)境愈發(fā)體現(xiàn)出來，特別是存在多采空區(qū)的情況下，多采空區(qū)的空間分布導(dǎo)致地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，從而影響開采工藝、開挖方式等.為了研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)下探測多采空區(qū)分布情況， 本文利用高密度正演模擬軟件RES2Dmod，分別采用溫納α、溫納β、單邊三極和溫施四種裝置對不同的多采空區(qū)排列方式進(jìn)行正演模擬研究.通過對模擬數(shù)據(jù)的對比分析，得到不同裝置形式對不同采空區(qū)分布狀況的勘探效果表現(xiàn)情況，為實際現(xiàn)場工作的數(shù)據(jù)采集設(shè)計提供參考意見.

高密度電法；RES2Dmod；多采空區(qū)

引言

由于前期我國煤礦開采部分不規(guī)范，而且大部分煤礦開采過后沒有經(jīng)過處理，因此在這種背景環(huán)境下形成的采空區(qū)存在很大的安全隱患，容易引起地面塌陷、環(huán)境污染，甚至可能對人民的生命財產(chǎn)造成危害[1].為此，查明采空區(qū)的存在形式對災(zāi)害防治以及防范危險措施成為首要任務(wù).

地球物理勘探隨著工程需要發(fā)揮著越來越大的作用.根據(jù)目前取得的研究成果來看，大部分研究的對象都是相對較簡單的單個采空區(qū)情況，對單個采空區(qū)的防治水研究已十分廣泛[2，3].常用的物探方法有地震勘探、瞬變電磁法、無線電波透視法、直接電法等，特高密度電法以其高效、經(jīng)濟(jì)、顯著等特點被廣泛利用.但是，對于多采空區(qū)并存的情況，勘探研究相對較少[4，5]，較準(zhǔn)確的查明多采空區(qū)的分布情況及組合方式，有很大的難度，尤其在采空區(qū)相對電性不明確的情況下，對數(shù)據(jù)的分析甚至可能連定性解釋的程度都達(dá)不到，容易產(chǎn)生漏解或錯解.

1 高密度電法簡述

高密度電阻率法和傳統(tǒng)的電阻率法原理相同，主要是利用巖礦石之間的電性差異，人工施加外部電場，觀察電場在地下的傳播變化情況，進(jìn)而解決構(gòu)造、工程、環(huán)境等問題.由于其一次性可以布設(shè)多個電極，工作效率高、成本低、信息豐富等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用到各類工程勘察中[6,7].

2 數(shù)值模擬

2．1 正反演

對于電阻率正演模擬常用方法有有限差分、有限元、邊界單元法等.本次正演所使用的模擬軟件RES2DMOD[8]系瑞典M.H.Loke博士所研發(fā)的二維有限差分區(qū)域計算方法.通過對整個研究區(qū)域進(jìn)行離散，即使較復(fù)雜的地電結(jié)構(gòu)也能較為準(zhǔn)確的計算.為保證計算結(jié)果的精度，網(wǎng)格在劃分時，水平方向均勻化，深度方向采用接近地表小間隔，隨著深度增加，網(wǎng)格間距逐漸增大.

反演采用最小二乘法，通過RES2DINV軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，計算地下電阻率并通過斷面圖顯示.

2．2 模型設(shè)置

高密度電法的裝置形式有很多，不同的裝置形式對不同的探測目標(biāo)體有不同的效果[9,10].為了達(dá)到分辨目的，分別利用溫納α、溫納β、單邊三極和溫施四種裝置形式，對多采空區(qū)分布情況進(jìn)行正演模擬.

2.2.1 等深雙采空區(qū)正演模型

圖1模型設(shè)置了雙采空區(qū)在埋藏深度相同的情況下，相鄰的高、低阻異常體.測線長度設(shè)為1 000 m，地表水平，雙采空區(qū)異常體大小設(shè)為50 m×71 m，水平位置位于300～350 m、675～725 m，埋深為116～187 m，表層電阻率設(shè)為60，底層電阻率為1 000.

圖1 等深雙采空區(qū)模型

圖2 等深雙采空區(qū)在不同裝置下的視電阻率斷面圖

根據(jù)圖2顯示的正演結(jié)果，可以清晰的看出在等深雙高阻采空區(qū)中，溫納α、溫納β以及溫施裝置基本沒有異常特征反應(yīng)，只有單邊三極裝置有比較微弱的異常反應(yīng)特征.但是在等深雙低阻采空區(qū)模型當(dāng)中，這四種探測裝置的反應(yīng)都顯得很敏感，這就導(dǎo)致掩蓋了部分采空區(qū)對應(yīng)位置的低電阻的異常反應(yīng)特征，無法根據(jù)探測結(jié)果來判斷采空區(qū)的具體位置.整體來講，等深雙采空區(qū)的相對電性情況對單邊三極裝置的影響相對來說是最低的，對應(yīng)的采空區(qū)低電阻位置異常反應(yīng)特征較為明顯.

2.2.2 同軸雙層采空區(qū)正演模型

圖3模型設(shè)置了兩個采空區(qū)不在同一埋藏深度，但位于同一軸向上.測線長度設(shè)為1 000 m，地表水平，雙層采空區(qū)異常體大小設(shè)為50 m×32 m和120 m×71 m，水平位置位于450～500 m、440～560 m，埋深為34～66 m、116～187 m，表層電阻率設(shè)為60，底層電阻率為1 000.

圖3 同軸雙層采空區(qū)模型

根據(jù)正演模擬結(jié)果的視電阻率斷面圖(圖4)可以看出，同軸高阻雙層采空區(qū)異常響應(yīng)明顯，溫納β、溫施和單邊三極裝置都能很準(zhǔn)確的反應(yīng)上層采空區(qū)的位置，只有溫納阿爾法顯示的結(jié)果比較模糊，但是對下層采空區(qū)情況的反映幾乎沒有；同軸低阻雙層采空區(qū)的四種裝置形式的響應(yīng)能夠較準(zhǔn)確的反映其水平位置，但是，異常響應(yīng)結(jié)果是將雙層采空區(qū)作為一體，根據(jù)反演的視電阻率斷面圖無法判別采空區(qū)的數(shù)目.

圖4 同軸雙層采空區(qū)在不同裝置下的視電阻率斷面圖

2.2.3 雙層采空區(qū)正演模型

圖5模型設(shè)置了兩個采空區(qū)不在同一埋藏深度，同時也不位于同一軸向上.測線長度設(shè)為1 000 m，地表水平，雙層采空區(qū)異常體大小設(shè)為50 m×32 m和100 m×71 m，水平位置位于450～500 m、440～560 m，埋深為34～66 m、116～187 m，表層電阻率設(shè)為60，底層電阻率為1 000.

圖5 異深異軸雙層采空區(qū)模型

圖6 異深異軸雙層采空區(qū)在不同裝置下的視電阻率斷面圖

根據(jù)圖6所顯示的信息可以判斷出溫納β、溫施和單邊三極裝置對異深異軸高阻雙層采空區(qū)的上層異常反映靈敏，能準(zhǔn)確定位，但是溫納阿爾法的結(jié)果容易將其異常信息忽略.四種裝置形式對下層的采空區(qū)異常反映不靈敏.溫納β對異深異軸低阻雙層采空區(qū)的響應(yīng)效果最好，能識別低阻采空區(qū)異常的數(shù)量，同時對于相對位置的反映也很明顯，其他三種裝置形式相對較差.

3 結(jié)論

1)高密度電法的裝置對于低電阻的采空區(qū)的反應(yīng)比高電阻的靈敏很多，特別是其中的單邊三極裝置，對于采空區(qū)的異常反應(yīng)尤為明顯，而對高電阻的采空區(qū)則沒有什么異常特征反應(yīng).

2)高密度電法裝置對于水平位置不一樣，埋深深度不同的上下雙低阻采空區(qū)的異常反應(yīng)特征有很大的差別：當(dāng)采空區(qū)的水平位置較為接近的時候，四種裝置對低電阻的空區(qū)有較大范圍的異常反應(yīng)，這便無法有效的判斷采空區(qū)的具體位置；當(dāng)采空區(qū)的水平位置有一定的差別的時候，四種裝置都能有效的反應(yīng)，但是埋深較深的空區(qū)的反應(yīng)靈敏度不是很明顯.

3)而埋深深度不同的上下雙高阻采空區(qū)，不管是否在同一個水平位置，這四種高密度電法裝置都只能反應(yīng)出埋深層度比較淺的高電阻采空區(qū)，尤其是溫納α的反應(yīng)敏感度明顯低于其他三種裝置.

對于不同的電性組合排列的多采空區(qū)，不同的裝置形式有不同的探測效果，實際工作中可以參考前期數(shù)據(jù)資料進(jìn)行合理的裝置形式選擇，則可以取得較好的探測效果.

[1]王啟明,徐必根,唐紹輝,等. 我國金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對策分析[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā),2009,04:63-68.

[2]郝治國,賈樹林,文群林. 綜合物探方法在采空區(qū)及其富水性探測中的應(yīng)用[J]. 物探與化探,2012,S1:102-106.

[3]肖川,張義平,劉超,等. 高密度電法在探測煤礦采空區(qū)賦水情況的應(yīng)用研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2012,30:7999-8003.

[4]王曉彥,劉鴻福,余傳濤. 綜合電法在煤礦雙層采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J]. 山西煤炭,2012,03:61-62+80.

[5]胡嘯. 基于高密度電法的煤礦多層采空區(qū)數(shù)值模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué),2016.

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[8]M.H. Loke, Res2DMOD. Copyright (1996-2002), 2002.

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[10]鄭冰,李柳德. 高密度電法不同裝置的探測效果對比[J]. 工程地球物理學(xué)報,2015,01:33-39.

On Detection Effect Simulation of the High-density Resistivity Method over Empty Areas

CAO Jing, DONG Xiao-qiang, WU Can-can

(School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou Anhui 234000, China)

With the transfer of the overall mining strategy of coal resources, the complicated conditions of mining environment has been increasingly reflected, especially, the spatial distribution of many gobs has caused underground medium more complex, thus affecting the mining and excavation methods. In order to study the gob distribution in complex structure, using high-density modeling software RES2Dmod, the paper uses Wenner α&β, a unilateral triode and temperature devices to simulate different empty area arrangements., which shows different device forms with different mining exploration effects and provides a meaningful reference for the data acquisition design in the actual fieldwork.

high-density resistivity method; RES2Dmod; empty area

1673-2103(2017)02-0059-06

2016-11-25

宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心全國開放課題(2014SZXTKF08)；宿州學(xué)院科研平臺開放課題資助(2014YKF07)；宿州學(xué)院一般科研項目(2014yyb08)

曹靜(1987-)，女，山東濟(jì)寧人，助教，研究方向：地球物理電法勘探.

P319.2

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