廖 柳

（江西省地質(zhì)局267大隊(duì)，江西 九江 332000）

近些年來，各種地下斷層災(zāi)害源頭會造成嚴(yán)重的自然地質(zhì)斷層災(zāi)害，如地質(zhì)斷層破裂帶、地質(zhì)斷層裂縫、倒塌柱、地下水和尚未充水的地區(qū)、煤層氣等。這些自然災(zāi)害對災(zāi)區(qū)生態(tài)環(huán)境以及人民的正常生活產(chǎn)生了極大的影響在研究解決地下的地質(zhì)勘查問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些學(xué)者提出使用方便、快捷的高密度高壓電法。如果在地下水電災(zāi)害沒有發(fā)生之前，可以有效地利用高密度有線的檢測方法，來檢測地下水電災(zāi)害。同時(shí)還能夠準(zhǔn)確地探測得到具體災(zāi)害類型，為后期采取控制措施提供了方便，并且可以減少后期災(zāi)害損失，降低了控制災(zāi)害的費(fèi)用和成本，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在當(dāng)今中國，與其他發(fā)展中國家一樣，高密度的電氣系統(tǒng)雖然起步較晚，但它們的應(yīng)用也很廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域范圍主要集中于一些傳統(tǒng)的建筑工程結(jié)構(gòu)。高密度電法檢測到的斷面上同時(shí)分別布置多個(gè)，采用人工向地下輸入電流的方式，讓地下能夠形成穩(wěn)定的電流場，通過自動化的控制變頻器和轉(zhuǎn)換設(shè)備對所需要布置的斷面進(jìn)行自動化地觀測，并且一次性地記錄的一種物探檢測方法。在礦產(chǎn)資源勘探方面，高密度電法的一些特點(diǎn)在礦產(chǎn)探測方面具有優(yōu)勢。例如，三維高密度電法對古代巖溶盆地中的層狀鋁土礦礦床有著很好的探測效果。調(diào)查由來已久的勘察探索共分為以下幾種：直流的電阻率法、交流的電磁法、地震法、微重力法、放射性法。此次研究采用三維高密度電法技術(shù)，通過現(xiàn)場各種設(shè)備在特定地質(zhì)環(huán)境下的測量，研究高密度電技術(shù)在探測地下災(zāi)害源方面的有效性。同時(shí)，利用檢測結(jié)果指導(dǎo)礦區(qū)安全生產(chǎn)。

1 基于三維高密度電法的礦山采空區(qū)探測技術(shù)

1.1 獲取礦山采空區(qū)特征

高密度電法的原理與常規(guī)電阻率法相同，都是基于巖層電學(xué)性質(zhì)的不同，但不同之處在于方法和技術(shù)。在高密度電測量的情況下，只需在檢測目標(biāo)上放置一根測量線，將電極等間隔驅(qū)動進(jìn)入測量線，由微機(jī)控制電極的組合，測量電阻增加各種深度的測量點(diǎn)。一旦測量完成，他們還可以通過其他安排來形成不同的設(shè)備并獲得更多的礦山信息。檢測后，需要保存測量數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到您的計(jì)算機(jī)以過濾更改[1]。最后通過反演圖進(jìn)一步確定測線垂直剖面的處理和地質(zhì)信息。電極的結(jié)合和微機(jī)控制的開發(fā)應(yīng)用，大大提高了電探的智能化程度。標(biāo)準(zhǔn)化采煤是機(jī)械化或半機(jī)械化采煤，分上下兩層開采，有的可達(dá)數(shù)百米。形成的地下礦區(qū)面積大，破壞下伏巖層，形成大面積地面沉降、崩塌和裂縫，造成的破壞是巨大的。一般而言，大規(guī)模采煤使用相對較大的礦區(qū)和機(jī)械采煤，造成很大的破壞。如果地面含有軟巖、富水巖或流沙，影響也會更大。另一方面，埋藏地層深度越大，移動和留在變形表面需停留時(shí)間就越長。土壤的具體物理和動力學(xué)風(fēng)化性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于任何巖石，當(dāng)一處區(qū)域被巖石破壞或者變形時(shí)，土壤一般上都會隨著基巖的風(fēng)化變形而發(fā)生變形。換句話說，基巖和土壤的變化范圍是相同的。基巖和砂質(zhì)土體主要因受影響其傾角的縱向擴(kuò)散運(yùn)動程度而不同。實(shí)際上，巖體有無數(shù)的交匯處、破碎面和斷層，這大大降低了基巖的強(qiáng)度，巖石的巖體運(yùn)動，無論是某種規(guī)則運(yùn)動分布還是隨機(jī)運(yùn)動分布，都會直接促進(jìn)巖體裂縫形成區(qū)域的面積擴(kuò)大并進(jìn)而增加巖體變形。開采后的厚度降低是導(dǎo)致上方地層巖石被嚴(yán)重破壞的一個(gè)根本原因之一。調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明，隨著勘探開采地層厚度的不斷增加，洞穴侵蝕勘探開采帶和地質(zhì)裂縫勘探帶的開采高度性和線性在增加。在地層同等條件下，開采越厚，破壞嚴(yán)重程度越大，對地層巖石的地質(zhì)破壞越嚴(yán)重。

1.2 測定大地電阻率

用均勻接地交流電阻的方法進(jìn)行測量均勻型的接地交流電阻時(shí)，除了分別需要各種不同電流源的接地電源外，還分別需要兩個(gè)供電點(diǎn)的電極距離a、b和兩個(gè)測量點(diǎn)的電極距離m、n，因此使用電測儀需要確定兩個(gè)電極間的距離m、n。用來測量兩個(gè)回路的能源電位差和回路電源端的電流差可用于直接確定能源電阻和功率。對于AB電源，MN之間的電位差由以下等式表示：

公式2中：K表示裝置系數(shù)或者電極排列系數(shù)；L表示能源電阻參數(shù)。其實(shí)在實(shí)際工作中，電極的排列方式是可以改變的，但是一旦確定了電極的排列方式和電極距離，就可以用上面的公式來計(jì)算了[2]。開采高度一定的情況下，礦柱寬度越寬，礦柱中值安全系數(shù)越高，可靠度越大。礦柱抗拉中值安全系數(shù)曲線比抗壓中安全系數(shù)曲線陡，表明礦柱受拉狀態(tài)下的破壞特征對礦柱寬度敏感。礦柱抗拉可靠度曲線比抗壓可靠度曲線陡，表明礦柱破壞主要是拉破壞。

1.3 基于三維高密度電法識別異常礦區(qū)

高密度電法是探測煤礦井下采空區(qū)的常用方法，本文提出基于三維高密度電法識別異常礦區(qū)，與其他探測礦山采空區(qū)的方法相比較，它具有效率更高、探測更精準(zhǔn)的優(yōu)勢。高密度電方法的特點(diǎn)是電距離短，數(shù)據(jù)收集密度高。逆向剖面可以直接、清晰地反映剖面中電異常的形狀、規(guī)模、發(fā)生情況和埋藏深度。結(jié)合近期地質(zhì)科學(xué)調(diào)查結(jié)果，可以根據(jù)地質(zhì)斷面上導(dǎo)電性異常的結(jié)構(gòu)形狀、規(guī)模和異常發(fā)生時(shí)的情況，更準(zhǔn)確地科學(xué)推斷地質(zhì)體的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)形態(tài)、地質(zhì)巖性、裂縫等情況。煤礦不規(guī)則開采形成的開采情況較為復(fù)雜。一般人工鉆孔的范圍相對較窄，主要用于道路采礦。有單層和多層呈網(wǎng)狀，開采深度較淺，一般在深度范圍內(nèi)。為了探測該類型礦區(qū)的范圍以及該區(qū)域剩余煤的生成情況，本次勘探使用了高密度電氣設(shè)備是溫納設(shè)備和暖應(yīng)用設(shè)備。目的是準(zhǔn)確檢測礦區(qū)的具體位置和區(qū)域，并能夠比較和研究哪種高密度電方法布置更適合檢測不規(guī)則開采的煤礦[3]。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)采煤方式多為機(jī)械或半自動采煤，礦區(qū)面積較大，破壞程度較大，地面沉降也較嚴(yán)重。檢測到礦井中地下缺陷的位置和范圍，并且礦頂已脫離地表。這要求檢測深度至少在地表以下。根據(jù)實(shí)際工作需要，我們將使用三種類型的高密度電氣設(shè)備進(jìn)行探索：文氏設(shè)備、文爾設(shè)備和西貝。三種探測裝置中，溫納裝置不僅能較好地直接反映地下水的整體形態(tài)分布特征和整體分布運(yùn)動范圍，分布運(yùn)動規(guī)律清晰，也比較能直接反映對上層變質(zhì)巖層的侵蝕破壞。電阻率指數(shù)總體下降趨勢偏低。高密度高壓電溫納裝置廣泛應(yīng)用于該類大型煤礦井下探測山羊，效果一般較為理想，有效災(zāi)害探測范圍廣，精度高。

2 應(yīng)用與分析

2.1 探測區(qū)概況

為驗(yàn)證文中方法的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)選取a處礦山為探測區(qū)。該地地處鐵礦區(qū)，地勢平坦，調(diào)查其氣候類型發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)典型的大陸性氣候。冬季普遍寒冷漫長，夏季短暫炎熱，普遍涼爽，晝夜溫差大。礦區(qū)為丘陵，最高海拔達(dá)到1424.6m。該部分地區(qū)年單月平均累計(jì)降雨量大約為474毫米，根據(jù)歷年的天氣預(yù)報(bào)顯示，該地區(qū)的主要降雨集中在6、7月份。并且年蒸發(fā)量為1895.3mm。最大情況是從5月到8月。最大洪水高程約1402米。在附近的廣場上，研究區(qū)地勢由西高東低起伏。綜合地質(zhì)條件、場地建設(shè)條件和地質(zhì)條件，本次物探工作在礦區(qū)東北角泰嶺湖附近進(jìn)行了高密度電探測。探測面積約0.7平方公里。高密度電探測全長0.98公里，產(chǎn)生200個(gè)物理點(diǎn)。具體探測重點(diǎn)根據(jù)探測對象地域具體區(qū)分分別為西部異?；顒勇额^穩(wěn)定區(qū)、中部異常穩(wěn)定活動露頭異常穩(wěn)定區(qū)、東部異常活動露頭穩(wěn)定區(qū)全部屬于采礦區(qū)，是東北角尾礦池附近的一個(gè)礦場。礦區(qū)內(nèi)部地質(zhì)地貌構(gòu)造復(fù)雜，褶皺緊密，斷層狀和帶狀地質(zhì)構(gòu)造層層叢生不斷發(fā)育。

2.2 測試結(jié)果

為了探測所在區(qū)域內(nèi)采空區(qū)范圍以及影響區(qū)氡值，本次勘探采用三維高密度電法裝置，與傳統(tǒng)的偶極裝置的方法共同探測同一區(qū)域，目的就是能夠準(zhǔn)確探測出采空區(qū)的具體位置和范圍，對比研究哪種方法的探測效果比較好。測試結(jié)果如下圖1所示。

圖1 兩種方法探測得到采空區(qū)位置

綜合分析上圖1，1～5號氡值在550～1000之間波動，此情況為采空區(qū)引起采空區(qū)實(shí)際位置在1～5號點(diǎn)，文中方法探測得到的采空區(qū)位置在1～5.5號點(diǎn)，而偶級裝置方法探測得到的采空區(qū)位置在1～7.2號點(diǎn)，分別將兩種方法探測結(jié)果與實(shí)際值對比，得出文中方法探測結(jié)果更接近實(shí)際值，優(yōu)于偶極裝置方法得到的探測結(jié)果。因此，文中基于三維高密度電法的探測技術(shù)優(yōu)于偶級裝置的探測技術(shù)。

3 結(jié)語

研究礦山開采發(fā)現(xiàn)在煤層開采后，該區(qū)域在地下會形成一個(gè)大面積的開挖和采空地帶，此地帶就是地下地質(zhì)物系中的一個(gè)人為缺陷地帶。而這一自然性缺陷的產(chǎn)生，破壞了采空區(qū)巖體內(nèi)原有的自然應(yīng)力狀況，引起了應(yīng)力的重新分配，在采空區(qū)周圍易發(fā)生局部應(yīng)力作用影響區(qū)。本文應(yīng)用三維高密度電法，對a礦山展開氡值檢測，測試采空區(qū)具體位置，得出文中方法測試得到的采空區(qū)位置與真實(shí)位置相差很小，已接近于極限。今后將針對實(shí)際工作的需要，以及礦山地區(qū)的復(fù)雜情況，進(jìn)一步改善文中方法，為礦山采空區(qū)探測技術(shù)提供有效參考。