冉 云

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 概論

高密度直流電法是一種將電剖面與電測(cè)深法融為一體的多裝置多極距組合的陣列勘探方法。野外裝置排列有十多種，分為固定斷面掃描和變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量。由于一次布點(diǎn)多，采集信息量大，在地質(zhì)災(zāi)害勘查中得到廣泛應(yīng)用。特別是在山西小窯煤礦采空區(qū)勘查中，由于開(kāi)采規(guī)模較小，開(kāi)采方式落后，回采率極低，勘查難度高。高密度電法通過(guò)縮小電極間距等措施提高橫向、縱向上分辨率，取得了很好的效果。

2 應(yīng)用中幾個(gè)問(wèn)題的探討

2.1 勘探深度的確定

高密度電法在原理上與直流電法一致，最大供電極距的大小和地下介質(zhì)電阻率的分布狀況，是影響高密度電法勘探深度的主要因素。

2.1.1 供電極距的影響

圖1 均勻各向同性半空間兩個(gè)點(diǎn)電源的電流密度分布圖

圖2 電流密度比值隨深度變化曲線

如圖2，當(dāng)供電電極AB一定時(shí)（r一定），h增大，JM/JO迅速減小。一般地，我們認(rèn)為當(dāng)JM/JO≥0.8時(shí)，M點(diǎn)電流密度觀測(cè)值變化能夠被識(shí)別并反映地下異常體，即h大約為供電電極AB的1/5深度。實(shí)際生產(chǎn)中，勘察深部層位時(shí)，可通過(guò)加大供電電壓來(lái)增大深部測(cè)點(diǎn)的電流密度值。

2.1.2 勘探深度受地下介質(zhì)電阻率的分布影響

實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，由于地層復(fù)雜多變，電阻率不同的地層排列多樣，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)地層電阻率及上覆地層情況作出勘探深度初步研判。在目標(biāo)體電阻率較小且上覆地層電阻率不很大時(shí)，勘探深度相對(duì)較大，有時(shí)接近AB的1/4；若上覆地層電阻率很大，尤其是地表覆蓋厚層高阻體（如厚層灰?guī)r、火成巖），有效勘探深度會(huì)大幅減小，有時(shí)勉強(qiáng)達(dá)到AB的1/6。

野外施工布線時(shí)，可以結(jié)合測(cè)區(qū)的地形、地層巖性及水文資料，參照目標(biāo)體埋深的6倍計(jì)算極距布線勘察。

2.2 數(shù)據(jù)的甄別及處理

2.2.1 地形的影響與校正

高密度電法受地形的影響較大，局部隆起或下凹都會(huì)造成局部數(shù)據(jù)畸變，出現(xiàn)假異常。因此，在野外的施工過(guò)程中，應(yīng)考慮哪種裝置受地形的影響最小。詳細(xì)記錄沿測(cè)線的地形變化與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便室內(nèi)資料處理中進(jìn)行甄別。目前有軟件帶有地形數(shù)據(jù)校正的功能，但效果不是很理想。

2.2.2 八字異常數(shù)據(jù)

接地電阻的大小對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量影響較大。接地電阻過(guò)大會(huì)形成類似表土不均的異常，表現(xiàn)為有規(guī)律的八字異常，異常范圍內(nèi)曲線整體抬升或下降，形成局部高（低）阻假象，給解釋帶來(lái)困難。在野外的施工過(guò)程中，通過(guò)改善電極接地條件，能夠消除部分此類異常數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)的反演

對(duì)于高密度電法野外采集數(shù)據(jù)的處理，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)單位一般選用的是瑞典的Res2dinv軟件。但在反演過(guò)程中，由于邊界條件的設(shè)定差別及減小擬合誤差過(guò)程中，有些需要仔細(xì)甄別的輕微異常會(huì)被反演曲線“平滑”掉，因此，要慎用反演。

2.3 電阻率曲線的解釋

野外數(shù)據(jù)采集要嚴(yán)格按照規(guī)定施工，詳細(xì)記錄測(cè)點(diǎn)附近存在的干擾因素。室內(nèi)解釋中，盡量避免對(duì)曲線做平滑處理，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)水文條件仔細(xì)分析曲線的拐點(diǎn)、疏密等細(xì)微變化，推測(cè)其中蘊(yùn)藏的地層結(jié)構(gòu)變化信息，做出合理的地質(zhì)解釋。

3 工程實(shí)例

在山西公路勘察中，經(jīng)常會(huì)遇到小窯采空區(qū)。這些采空區(qū)大都規(guī)模較小，回采率很低，地下巷道分布毫無(wú)規(guī)律，且缺乏必要采掘資料，無(wú)法對(duì)采空區(qū)的范圍進(jìn)行具體劃定。特別是部分礦區(qū)礦層頂板巖層風(fēng)化，礦層較薄，大都屬于個(gè)體開(kāi)采，因而開(kāi)采規(guī)模更小，勘察的難度更大。

3.1 山西東南部某公路路基煤礦采空區(qū)勘察

據(jù)前期調(diào)查，路線通過(guò)區(qū)地下曾有過(guò)煤礦開(kāi)采，主要是個(gè)體、集體煤礦。煤層較薄，埋深約50 m。測(cè)區(qū)內(nèi)主要地層有第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上第三系上新統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。煤層賦存于山西組和太原組，頂板完整性很差，煤層富水，巷道2～3 m寬，坑木支護(hù)，房柱式開(kāi)采，回采率很低。測(cè)區(qū)地形較為平坦，地面黃土覆蓋，電極接地條件較好。根據(jù)實(shí)際情況，我們選用高密度電法勘探，測(cè)點(diǎn)距5 m，120根電極。

圖3 小窯采空區(qū)電法勘察視電阻率擬斷面圖

由于測(cè)線經(jīng)過(guò)區(qū)地形平緩，勘察數(shù)據(jù)基本未受地形影響。根據(jù)收集到的附近煤礦鉆孔資料，對(duì)勘察深度進(jìn)行了校正，大約為供電極距AB的1/4～1/5間。我們分析認(rèn)為，勘探深度偏大是由于煤層上覆地層大部分為第三、第四系黃土及薄層砂巖，電阻率較低，加上煤層富水性強(qiáng)，表現(xiàn)為低電阻率特征，向下吸引電流線所致。

對(duì)本區(qū)的高密度勘察數(shù)據(jù)解釋，我們采用了原始數(shù)據(jù)，未做平滑處理。對(duì)目標(biāo)埋深范圍的5道電阻率曲線進(jìn)行橫向、縱向分析比較，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)水文資料劃定4處低阻異常區(qū)，并在4 000與4 160處布設(shè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，分別在52 m與56 m處掉鉆。

圖3b是本測(cè)線數(shù)據(jù)的反演斷面圖。圖中電阻率曲線橫向上雖然也表現(xiàn)有起伏變化，但難以分辨這幾處異常區(qū)域。就本次勘察而言，造成反演結(jié)果圖件無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別異常的原因，主要是由于本次勘查區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，且基本為小窯開(kāi)采，回采率很低。相應(yīng)地，采空異常信號(hào)表現(xiàn)不太明顯，需要具備一定的采空區(qū)勘察經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地質(zhì)資料仔細(xì)甄別。而數(shù)據(jù)在反演過(guò)程中，軟件為減小擬合誤差而將曲線圓滑，這樣，不太明顯的異常區(qū)信號(hào)就被“平滑”掉了。因此，在小窯采空區(qū)勘探中，嚴(yán)格野外數(shù)據(jù)采集工作，確保原始數(shù)據(jù)的可靠性；室內(nèi)數(shù)據(jù)解釋中，盡可能避免對(duì)數(shù)據(jù)作平滑處理，以視電阻率曲線圖件為主，反演圖輔助。

3.2 鋁礬土礦采空區(qū)勘察

山西西部某地的公路通過(guò)一鋁礬土礦區(qū)，由于開(kāi)采資料缺失，無(wú)法確定開(kāi)采范圍。經(jīng)過(guò)調(diào)查，測(cè)區(qū)內(nèi)地層簡(jiǎn)單，巖性主要為黃土、泥巖、灰?guī)r，巖層富水性較差。區(qū)內(nèi)鋁土礦層賦存于本溪組，埋深約50 m，礦層厚約2.5 m，下伏為灰?guī)r。測(cè)區(qū)地形上東西狹長(zhǎng)平緩，南北起伏較大。根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，采用高密度電法勘探，東西向布線，測(cè)點(diǎn)距3 m，共96根電極。

圖4 鋁礬土礦采空區(qū)勘察視電阻率擬斷面圖 （單位：m）

圖4為中間測(cè)線的視電阻率擬斷面圖。根據(jù)電阻率曲線變化，結(jié)合測(cè)區(qū)的地層巖性資料，圈定了3處異常區(qū)。其中99 m處鉆孔在49～50.7 m掉鉆，據(jù)此鉆孔資料對(duì)測(cè)線勘察深度進(jìn)行了校正，大約為AB極距的1/4。這同樣由于目標(biāo)層上覆地層巖性為低電阻率的黃土、泥巖，使得深部測(cè)點(diǎn)的電流密度相對(duì)增大，從而加大了勘探深度。

在本測(cè)線的地質(zhì)解釋中，100 m附近的曲線異常較為明顯，而150 m附近的曲線異常很不明顯，需要進(jìn)行橫縱向仔細(xì)辨認(rèn)。鉆孔結(jié)果在54 m見(jiàn)冒落帶，也對(duì)應(yīng)了此處的微弱異常。

圖5 鋁礬土礦采空區(qū)勘察數(shù)據(jù)反演圖

圖5為同一測(cè)線勘察數(shù)據(jù)的反演圖。我們根據(jù)其中的電阻率曲線橫向上起伏變化無(wú)法辨認(rèn)100 m和150 m的異常區(qū)。只在95 m附近有低阻表現(xiàn)，但難以確定低阻區(qū)的具體位置；150 m處的異常區(qū)基本無(wú)法辨認(rèn)。對(duì)比視電阻率曲線圖與反演圖件，我們認(rèn)為，在小窯采空區(qū)勘查中，由于開(kāi)采規(guī)模小，相應(yīng)地物探異常信號(hào)較弱，數(shù)據(jù)的后續(xù)處理與解釋中，慎用反演圖件。工作中應(yīng)以視電阻率曲線圖為主，反演圖為輔進(jìn)行地質(zhì)解釋更為合理。

4 小結(jié)

高密度電法同時(shí)擁有剖面法和電測(cè)深法的功能，具有數(shù)據(jù)采集密度大、分辨率較高的特點(diǎn)，能較直觀、形象地反映電性異常體的形態(tài)和產(chǎn)狀。它是一種高效和經(jīng)濟(jì)的勘察手段，對(duì)解決小窯采空區(qū)、巖溶發(fā)育情況，能取得較好的勘查效果。

a）野外施工前，應(yīng)當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)確定合理的裝置形式及電極距。

b）小窯采空區(qū)勘探的數(shù)據(jù)處理解釋中，慎用反演。視電阻率擬斷面曲線圖所蘊(yùn)含的信息比反演圖件要豐富得多。

c）對(duì)電阻率曲線圖件，應(yīng)結(jié)合測(cè)區(qū)的地層水文資料，分析曲線的形態(tài)、拐點(diǎn)等，圈定采空區(qū)范圍，盡量避免對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑等處理。