賈榮

（山西華冶勘測工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030000）

一、高密度電法概述

（一）基本勘探原理

1.高密度電法應(yīng)用原理

所謂的高密度電法就是指在一定的空間范圍內(nèi)，在工作電極上放置大量的與勘探目標(biāo)相關(guān)的高頻電場，從而實(shí)現(xiàn)對探測點(diǎn)的高精度測量。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，我們通常使用的是高分辨率的探地雷達(dá)以及一些專門的用低頻電流來進(jìn)行觀測的方法來對地下的地質(zhì)情況做出相應(yīng)的了解和掌握。高密度電法主要是通過將不同的電極所接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電能，并將這些信號傳輸?shù)降孛娴囊环N技術(shù)。

2.高密度電法的數(shù)學(xué)模型

（1）電法的基本模型。在利用高密度電法勘探的過程中，首先要建立一個(gè)由多個(gè)不同電極組成的三維空間剖面，再根據(jù)各段的電阻率來確定各個(gè)極位的相對移動(dòng)量，最后將這些數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)關(guān)系表示出來，這樣就可以得到所需的剖面圖。

（2）觀測點(diǎn)的參數(shù)值。在實(shí)際工作中，我們通常會(huì)用到很多的測量點(diǎn)，而每個(gè)點(diǎn)的參數(shù)值也是不一樣的；因此，要想對每一條導(dǎo)線上的每條導(dǎo)線及各段的導(dǎo)線及各段的導(dǎo)線及所對應(yīng)的極位進(jìn)行準(zhǔn)確的測定就變得非常的困難了。所以為了能夠更加精確地反映地下的情況以及研究區(qū)域的地質(zhì)條件，就要對每一條剖面上的每條剖面上的所有極位的變化量求出其相應(yīng)的修正系數(shù)，然后將其與實(shí)測的資料結(jié)合起來，從而得出結(jié)論。

3.影響高密度電法開采的因素

（1）電極距離。在進(jìn)行高程測量時(shí)，我們一般會(huì)選擇不同的電極距，來對地電剖面的電流分布情況做一定的了解和掌握。但是由于高密度電法的工作環(huán)境比較特殊，它是一種非接觸式的高程勘測方法，所以它的觀測結(jié)果不具有較好的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）導(dǎo)線及基巖的成分。在實(shí)際的勘探中，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，通常會(huì)采用一些導(dǎo)線及基巖的組分以及它們的電阻率，從而來確定所測區(qū)域的地質(zhì)狀況。如果導(dǎo)線及基巖的組成是均勻的或者是微酸性的時(shí)候就需要考慮到導(dǎo)線及基體的氧化物等的含量問題。同時(shí)也要注意到，在使用過程中，要避免出現(xiàn)漏檢、漏測的現(xiàn)象發(fā)生。

（二）方法優(yōu)勢體現(xiàn)

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地提高信息的獲取效率，并且可以根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)分析出其異常的位置和大小，進(jìn)而采取針對性的措施來解決出現(xiàn)的問題；同時(shí)，還能對其周圍的環(huán)境條件作出較為準(zhǔn)確的反應(yīng)；此外，還能為工作人員提供更加全面的勘測資料，幫助他們更好的完成開采任務(wù)。目前，我國大部分的煤礦都采用了高密度電法，但是由于煤礦的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，所以在實(shí)施的時(shí)候往往會(huì)遇到很多的困難與阻礙。

（三）測量與數(shù)據(jù)處理

1.高密度電法在采空區(qū)的應(yīng)用效果參數(shù)及數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)精度：在實(shí)際的勘探過程中，我們需要采集大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到后期的分析和評價(jià)。因此在進(jìn)行高密度電法勘探的時(shí)候必須保證所獲取的資料準(zhǔn)確無誤，并且要確保所測的數(shù)據(jù)能夠滿足要求。

（2）觀測時(shí)間：在測量高分辨率的情況下，我們可以通過對電極的電流值來判斷該點(diǎn)的空間位置，從而確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

（3）視距：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果來選擇合適的測試儀器，并對其的視距范圍作出合理的設(shè)定；同時(shí)，還應(yīng)該考慮到不同的地質(zhì)條件，如巖石的性質(zhì)、含水量等，以便做出正確的解釋；最后，還應(yīng)注意的是，由于高密度電法的應(yīng)用是一種非接觸性的野外勘測方法，所以其最終的應(yīng)用效果會(huì)受到環(huán)境的干擾而產(chǎn)生一定的誤差甚至失敗。

2.高密度電法的數(shù)據(jù)處理

高密度電法在獲得完整的測量線或測量網(wǎng)數(shù)據(jù)后，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后，去除畸形數(shù)據(jù)，繪制反演、視覺抵抗率截面圖，最后結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)資料對以上進(jìn)行說明，經(jīng)過反復(fù)解釋，可以得到地下一定深度的地質(zhì)異常分布。

二、煤礦采空區(qū)處理

（一）采空區(qū)的形成

當(dāng)煤炭資源的儲(chǔ)量在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)開采量超過了可利用的限度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生采空區(qū)，這是一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，它是由于礦井的空間布局不合理，或者是礦井的地下結(jié)構(gòu)不完善造成的。同時(shí)還有人為的破壞和管理不當(dāng)，使得采場的安全隱患增加。再有在采空區(qū)內(nèi)的一些煤層的厚度不夠，從而使其塌陷，這也是煤礦的采空區(qū)產(chǎn)生的原因之一。最后是煤礦的開采方式不合理，沒有嚴(yán)格地進(jìn)行采礦的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，對礦山的地質(zhì)狀況了解地不夠全面，不能合理的安排人員的工作時(shí)間，造成了嚴(yán)重的后果。

（二）煤礦采空區(qū)危害

煤礦采區(qū)威海煤炭資源的開采留下了大量的采區(qū)。一方面，采煤區(qū)地面塌陷，容易造成山體滑坡等重大自然災(zāi)害，采煤破壞了開采層的地質(zhì)構(gòu)造，開采層受到爆破力、推力等外力作用的情況下，地層裂縫，易發(fā)生龜裂和沉降，如2010 年陜西省榆林市新木縣發(fā)生的李氏3.0 級地震就是煤礦采區(qū)坍塌引起的。同時(shí)，煤礦采區(qū)塌陷也容易造成山體滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生，另一方面，采掘地破壞了當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源，煤礦采掘地不僅占用了大量的土地資源，采掘完畢的土地也遭到了嚴(yán)重破壞，土地生產(chǎn)力下降，甚至失去了生產(chǎn)能力，給農(nóng)民的生存和社會(huì)的和諧構(gòu)成帶來了很大的威脅。

（三）采空區(qū)勘察和評價(jià)

一般來說，采區(qū)的勘察和評價(jià)工作分為三個(gè)階段，即預(yù)備作業(yè)階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。

1.預(yù)備工作階段。這一階段的調(diào)查手段在調(diào)查開始時(shí)，首先要進(jìn)行廣泛的調(diào)查，收集足夠的礦井資料。如采掘工程的平面圖、井上的對比度、鉆孔柱詳圖等，對一些比較大型的礦井，收集沉降管測量資料，例如相應(yīng)的采煤方法、采掘年限、掌握地表裂縫方向和寬度，以及塌陷坑的大小和范圍等。利用采空區(qū)崩塌、冒落、移動(dòng)引起的巖體錯(cuò)動(dòng)、巖堆、崩塌等特征，可以初步確定采空區(qū)范圍，進(jìn)行一定的估算，評估采空區(qū)對擬建筑物的影響或公路危險(xiǎn)。

2.初步設(shè)計(jì)階段分析。這一階段的主要工作是補(bǔ)充上一階段收集的礦井地質(zhì)資料，通過一定的挖掘方法，調(diào)查煤礦的空余分布范圍和長度，并進(jìn)行估算。

3.施工圖設(shè)計(jì)階段的分析。這個(gè)階段研究了煤礦采空區(qū)三個(gè)波段的高度和特征，確定了相應(yīng)的殘余沉降量，并計(jì)算了采空區(qū)的空腔尺寸。

三、高密度電法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用

（一）電法勘探電極排列

按照電極電位分布圖，將電法勘探線布置在工作面的上方,然后將探測線放置在工作面的下方,這樣做的目的是為了保證觀測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。當(dāng)用電法勘探線位于采空區(qū)的中心時(shí)，由于采煤層的電阻率會(huì)隨著距離的增加而增大，因此我們需要把測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以便于分析。當(dāng)用測距儀測出的點(diǎn)位與實(shí)際的點(diǎn)位之間的差值小于0.1 時(shí)，則表明該點(diǎn)的存在性較好，此時(shí)可以使用電法勘探方法來確定其位置。如果測得的值大于或等于0.5,則說明該點(diǎn)的存在性較好，這時(shí)就應(yīng)該利用高精度的全站儀來定位。若要找到某個(gè)特定的礦井，那么首先要找準(zhǔn)礦井的具體位置，才能準(zhǔn)確地尋找該礦井的主要控制因素。

（二）施工裝置以及測線布置

1.電法勘探使用的儀器

在進(jìn)行勘探工作中，我們一般使用的儀器有：示蹤儀、探地雷達(dá)、測溫儀等。（1）示蹤儀：示蹤儀的作用就是用一個(gè)或多個(gè)傳感器對觀測到的信息采集，然后根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出所需要的參數(shù)值，再將所得的結(jié)果與實(shí)際的值作對比，最后得出結(jié)論。它具有較高的可靠性和實(shí)用性，并且能夠提供較高的準(zhǔn)確度。但是因?yàn)槠鋬r(jià)格相對昂貴，所以在我國的煤礦中很少見。（2）探地雷達(dá)：該裝置的主要目的在于對采空區(qū)的各種地形地貌的了解和研究，通過分析這些資料，來確定其分布范圍，并為后期的開采決策提出可靠的依據(jù)；同時(shí)還能檢測井下的導(dǎo)納平衡，為采礦的順利開展打下基礎(chǔ)。

2.電法勘探測線布置

探測區(qū)東西長800 米，南北寬度400 米，探區(qū)內(nèi)由南向北布置東西方向9 條測量線，編號1 線至9 線，線間距50 米，由西往東布置南北方向17 條測量線，編號10 線至26 線，測量線間距50 米。在各測線上布置一個(gè)排列，在每個(gè)排列上布置120 個(gè)電極，觀測120 度，電極間距為10m。使用全納裝置，工作電壓為120V。

（三）數(shù)據(jù)處理、解釋及成果說明

1.電法勘探數(shù)據(jù)處理及反演

目前，我國在電法勘探數(shù)據(jù)的處理上主要有兩種方式：一種是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后利用計(jì)算機(jī)軟件對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，最后將所得結(jié)果與實(shí)際的數(shù)據(jù)相比較，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)論；另一種方法是采用反演的技術(shù)來對所獲取的信息加以處理，通過這種方法可以有效地提高工作效率，并且還能減少工作人員的勞動(dòng)量，降低成本。

2.數(shù)據(jù)解釋

對所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行以下解釋：

定性解釋：根據(jù)地球物理異常的特征，定性判斷引起異常的地質(zhì)原因，大致判斷異常的形狀、大小、產(chǎn)狀和埋藏深度等。

定量分析：計(jì)算地球物理異常定量的幾何參數(shù)和物理參數(shù)

地球物理解釋：根據(jù)地球物理異常，應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法，推算出狀元體物性參數(shù)、埋藏深度、位置、形狀、大小、山上等要素。

地質(zhì)解釋：結(jié)合地質(zhì)和其他資料，重點(diǎn)對地球物理異常及其狀元體進(jìn)行地質(zhì)解釋。

正演解釋：已知地質(zhì)體的形狀、深度和圍繞巖石的物性參數(shù)，求地球物理場的斷面曲線或分布。

反演解釋：已知地球物理曲線求地質(zhì)體的形狀、深度和巖石物性。

四、應(yīng)用效果評價(jià)

高密度電法對地下地電構(gòu)造具有較高的分辨率，是研究淺層地質(zhì)構(gòu)造的有效方法，隨著深部找礦等深部探測工作的巨大需求，高性能、大探測深度、多變量測量和一臺(tái)儀器是高密度電法儀器未來發(fā)展的主要方向，在山區(qū)用高密度電法探測采區(qū)時(shí)，應(yīng)避免地形變化較大的地區(qū)，選擇在地形平坦的地方布置測量線，如地形在這個(gè)起伏地區(qū)進(jìn)行高密度電法測試時(shí)，建議在滿足探測程度的條件下選擇較大的電極距離。高密度電法是淺層采區(qū)探測的有效探測方法，已被廣泛應(yīng)用，但表層低電阻以上的屏蔽作用，以上規(guī)模和形態(tài)難以準(zhǔn)確判斷等局限性，建議在探測條件復(fù)雜的地區(qū)，采用多種偵察方式進(jìn)行綜合探測和解釋，以提高探測的準(zhǔn)確性。

結(jié)論

本次研究主要利用了電阻率法和勘探深度反演方法，在大量的文獻(xiàn)閱讀和現(xiàn)場實(shí)測的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)，采用了高密度電法的原理及工作參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到以下結(jié)論：（1）運(yùn)用該方法，可以對采空區(qū)的地質(zhì)條件有一個(gè)較為全面的了解；（2）用該方法，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)的空間分布情況有一定的掌握；（3）用該方法，能為礦井的生產(chǎn)建設(shè)提供可靠的依據(jù)；（4)使用高密度電法，不僅能提高效率，還可降低成本，為礦井的安全運(yùn)營創(chuàng)造有利的前提作用。但是由于野外的觀測環(huán)境比較差，因此要在實(shí)踐中不斷地完善，才能使結(jié)果更精確。隨著時(shí)間的推移以及技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，相信未來的水平會(huì)更加成熟?？傊覀儜?yīng)該積極的應(yīng)用高密度電法，使其更好地服務(wù)于煤礦的開采事業(yè)。同時(shí)也要加強(qiáng)工作人員的培訓(xùn)力度，增強(qiáng)他們的專業(yè)技能，以便于后期的維護(hù)保養(yǎng)。