范育典

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100000）

0 引言

煤炭資源的大量開發(fā)、利用帶來了極大的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)價(jià)值，而過量開采煤炭也造成了大量的地下采空區(qū)，出現(xiàn)地表塌陷的現(xiàn)象，使地面建筑、交通設(shè)施、生活設(shè)施和土地受到損壞。礦區(qū)毀損情況嚴(yán)重，威脅礦區(qū)人民群眾的日常生活和生產(chǎn)，影響我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。因此，掌握采空區(qū)的詳細(xì)情況，預(yù)防滑坡、突水以及冒落等災(zāi)害性地質(zhì)情況成為日益突出的問題[1]。

1 工程概況

東升廟鉛鋅礦坐落于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)的烏拉德后旗，屬于典型的大陸性干旱氣候區(qū)。因此，礦山巖石外露，長期干燥多雨，植被稀疏。礦井海拔高度大約為1 050 m～1 183 m，山脊險(xiǎn)峻?？碧綏l件類別為Ⅱ-4 型，煤層深度為1 183 m～700 m，開采面積為1.387 7 km2。

2 高密度電阻率法實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

初設(shè)線路時(shí)，測(cè)線方向與礦區(qū)勘探線平行（近南－北向，位于20-22 勘探線），起始點(diǎn)在北端，終點(diǎn)在南端。選擇使用溫納四極模式，電極總數(shù)為120 道，電極間隔10 m，測(cè)量線總長1 140 m，最高的間隔指數(shù)值為32。對(duì)2 025 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理安排和測(cè)量，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)收集工作。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)處理過程

要查看原始數(shù)據(jù)，就要以txt 的格式儲(chǔ)存dat 格式的數(shù)據(jù)信息，如圖1 所示。對(duì)初始數(shù)據(jù)的展開解讀見表1。

表1 初始數(shù)據(jù)解釋

圖1 儲(chǔ)存的dat 格式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程

轉(zhuǎn)化原始數(shù)據(jù)，方便高密度軟件能夠辨識(shí)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)化過程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.2.3 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

開啟GeigiaRimage 軟件，將轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入軟件并設(shè)定主要參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)置

2.2.4 原始圖像和曲線圖

在未進(jìn)行任何處理的圖件中，橫坐標(biāo)表示測(cè)線長為0 m～1 140 m，縱坐標(biāo)表示深度為0 m～300 m，不同的色彩反映不同的電阻。要想知道每個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，還可以將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的圖形。

2.2.5 濾波處理

在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，由于受各類外界影響的干擾，原始記錄會(huì)摻進(jìn)噪聲，因此必須要對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波、預(yù)處理。軟件包括3 種處理方式：中值濾波、Alpha 濾波和均值濾波。中值濾波是數(shù)字圖像處理中典型的平滑噪聲方式，適用于數(shù)字圖像處理中的外緣信息，因此適合處理噪聲[2]。

2.2.6 地形矯正

該試驗(yàn)是在波瀾起伏的山坡上開展的，因此每個(gè)電極都需要利用GPS 統(tǒng)計(jì)各方面的數(shù)據(jù)信息并導(dǎo)入GeigiaRimage軟件，以獲取高程數(shù)據(jù)并修正地形。

在修正地形后，地形從最初的平地變成了跌宕起伏的山脈。修正后的縱坐標(biāo)由0 m～300 m 變?yōu)?87 m～1 227 m。

2.2.7 反演處理

地形修正后進(jìn)行反演處理，可獲取直觀的反演圖像。

2.3 不同濾波方法的數(shù)據(jù)處理方式

當(dāng)采用高密度電法觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境時(shí)，需要注意不同的地質(zhì)環(huán)境會(huì)有不同水平的干擾。勘探前對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，可以利用過濾去掉不可用的數(shù)據(jù)點(diǎn)。濾波的方式較多，每種方式都有比較特定的噪聲數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)具體情況選取有優(yōu)勢(shì)的濾波方式。

2.4 信息解讀

2.4.1 電阻率斷面圖

結(jié)合電阻率斷面圖分布情況可以發(fā)現(xiàn)圖中存在許多色彩不一樣的區(qū)域，這些不同色彩區(qū)域象征不同的電阻率。色差減少代表電阻在平緩變化（沒有異常），因此沒有采空區(qū)。當(dāng)?shù)仉妶D視電阻率突然出現(xiàn)顯著變化、電阻率出現(xiàn)明顯異常且與附近地電信息顯著不同時(shí)，可斷定其為采空區(qū)。

根據(jù)電阻率斷面圖可知，該區(qū)域存在1 個(gè)閉合地理區(qū)域，其電阻率明顯高于周邊的電阻率，因此可以推斷該閉合地理區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)。

2.4.2 4種濾波方法分析

選用Alpha 濾波、均值濾波、中值濾波以及綜合濾波等濾波方式。綜合濾波器在很大程度上對(duì)高阻區(qū)有增益作用，還可以知道高阻區(qū)的電阻增多，幾種方法的信息處理結(jié)果對(duì)電阻率斷面圖干擾較小，可以忽略不計(jì)。

2.4.3 電阻率斷面圖與采空區(qū)賦存狀態(tài)圖對(duì)比

圖4 為采空區(qū)賦存狀態(tài)，①處所示線條為測(cè)線地理位置，②處所示線條為1 100 m 的采空區(qū)，③處所示線條為1 020 m的采空區(qū)。從電阻率分布圖可以看出，該區(qū)域存在1 個(gè)標(biāo)高為1 050 m～1 150 m、寬為120 m 的采空區(qū)。對(duì)采空區(qū)產(chǎn)狀圖的所在位置進(jìn)行對(duì)比可知，2 個(gè)采空區(qū)的形狀、規(guī)模和相對(duì)位置相符。因此，該試驗(yàn)很好地證實(shí)了采空區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況。

圖4 采空區(qū)賦存狀況圖

3 地震法及瞬變電磁法試驗(yàn)

3.1 地震法

3.1.1 數(shù)據(jù)收集

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，需要一支強(qiáng)有力的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理隊(duì)伍作為支撐。因此，必須大力開展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理隊(duì)伍建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理相關(guān)人員的綜合素質(zhì)，提高其勝任能力。應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理相關(guān)人員實(shí)施定期教育和培訓(xùn)，深化其對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化其工作責(zé)任感和使命感，提升其政治素養(yǎng)，優(yōu)化其創(chuàng)新意識(shí)及能力，繼而以端正的態(tài)度開展高水準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理工作。

該試驗(yàn)選用單邊放炮、4 次覆蓋系統(tǒng)開展測(cè)定，檢波點(diǎn)距為5 m，測(cè)量范疇為240 m。測(cè)試線方位平行于24 號(hào)勘探線，與24 號(hào)勘探線相隔20 m，起始點(diǎn)（小號(hào)點(diǎn)）位于南邊，終點(diǎn)位于北邊。BZK6/24 距離測(cè)試線130 m。

3.1.2 數(shù)據(jù)整理

根據(jù)之前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)可以獲得地震法的原始記錄，接下來對(duì)初始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行置道頭、靜校準(zhǔn)、疊前噪聲壓制、振幅補(bǔ)償、疊前反褶積、抽CMP 道集、速率分析、動(dòng)校準(zhǔn)以及初相互疊加所剩靜校準(zhǔn)，如果所剩靜校準(zhǔn)結(jié)果顯示超過0.5 ms，那么從速率分析的那一步再次相互疊加。如果低于0.5 ms，則對(duì)初始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行DMO 或疊前時(shí)間偏位、疊后反褶積、隨機(jī)性噪聲衰減系數(shù)、偏位、時(shí)間濾波以及增益值，通過這種加工處理可以獲得相應(yīng)的時(shí)間剖視圖。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)最先采用地震法儀器對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，隨后對(duì)原始記錄進(jìn)行一系列加工處理，從而獲得時(shí)間剖視圖，再根據(jù)反射波同向性的轉(zhuǎn)變來推測(cè)采空區(qū)的具體位置。將時(shí)間剖視圖中采空區(qū)的具體位置與采空區(qū)賦存情況圖中采空區(qū)的具體位置進(jìn)行比較可知，該位置為金屬礦采空區(qū)。但是，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)時(shí)間剖視圖中產(chǎn)生了大批量雜亂無章的面波，在一定程度上會(huì)對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性造成干擾。推測(cè)其根本原因如下：1） 基本參數(shù)問題。該試驗(yàn)炮檢距為5 m，為了更好地增強(qiáng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，布置的偏位間隔較小，會(huì)干擾檢測(cè)深度，而該試驗(yàn)采空區(qū)的具體位置較深，檢測(cè)的深度無法到達(dá)具體位置，讓下部產(chǎn)生了大批量不規(guī)律的波形。2） 從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上來看，地震法比較適宜地質(zhì)構(gòu)造明晰的沉積巖，該試驗(yàn)地區(qū)以變質(zhì)巖和巖漿巖為主，會(huì)給檢測(cè)增加一定難度。

3.2 瞬變電磁法

3.2.1 數(shù)據(jù)收集

瞬變電磁測(cè)定選用重疊回線和中心回線方式，測(cè)試線總長度為120 m，測(cè)點(diǎn)間隔為20 m。測(cè)試線方位平行于24 號(hào)勘探線并與24 號(hào)勘探線重疊，為了使探測(cè)工作更加便利，起始點(diǎn)（小號(hào)點(diǎn)）位于南邊，終點(diǎn)（大號(hào)點(diǎn)）位于北邊。

3.2.2 數(shù)據(jù)整理

對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)資料進(jìn)行加工處理的步驟如下：1） 去除遭受外界影響的失真點(diǎn)。2） 采用數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)更詳細(xì)地對(duì)二次電位進(jìn)行插值，同時(shí)，根據(jù)插值數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分層分析并計(jì)算視電阻率值，利用計(jì)算機(jī)制作定性分析圖件視電阻率擬斷面圖。3） 采用差值法對(duì)低阻屏蔽進(jìn)行刪除，并對(duì)某些受干擾點(diǎn)進(jìn)行過濾，從而降低干擾。4） 形成電法解釋所需的視電阻率斷面圖。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)選用瞬變電磁方式對(duì)采空區(qū)及周邊地質(zhì)環(huán)境的具體情況進(jìn)行檢測(cè)。首先，在試驗(yàn)區(qū)采用瞬變電磁法裝置采集數(shù)據(jù)。其次，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)原始記錄進(jìn)行加工處理。最后，制作電阻率斷面圖并進(jìn)行定性分析、定量分析，明確了需要尋找的采空區(qū)的具體位置，該結(jié)果與采空區(qū)賦存情況圖描述的采空區(qū)的具體位置幾乎一致，因此，可以得出該試驗(yàn)到達(dá)了預(yù)計(jì)的目的。

該試驗(yàn)選用了2 種不一樣的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，分別是中心回線法和重疊回線法。結(jié)果顯示，中心回線法的采空區(qū)具體位置比重疊回線法的采空區(qū)具體位置更偏北，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)盤總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，中心回線的接收器位置比正確位置偏北，因此，讓接下來的結(jié)果也向北偏位。正確操作時(shí)，2種方式檢測(cè)采空區(qū)的位置基本相同，進(jìn)而也互相證實(shí)了該方式在檢測(cè)金屬礦采空區(qū)的可行性。

該試驗(yàn)測(cè)試線具體位置附近有高壓電線，很有可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成干擾。因此，在整理數(shù)據(jù)時(shí)，要加強(qiáng)濾波加工處理，確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、可信。

4 結(jié)語

該文根據(jù)運(yùn)用高密度電阻率法的實(shí)例對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以形成反演圖，便于工作人員后續(xù)深入剖析。在實(shí)驗(yàn)礦區(qū)采空區(qū)的具體位置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況均不清楚的情況下，根據(jù)高密度電測(cè)發(fā)現(xiàn)了許多較為明顯的高、低電阻異常情況。研究成果表明，高阻為采空區(qū)，低阻為富水充填狀態(tài)。結(jié)合與采空區(qū)產(chǎn)狀圖的對(duì)比可以判定該礦區(qū)為金屬礦區(qū)。因此，高密度電法探測(cè)具備對(duì)金屬礦山和采空區(qū)探測(cè)分辨率較高的優(yōu)越性，探測(cè)采空區(qū)的實(shí)際效果更好。

在內(nèi)蒙古東升廟礦區(qū)使用電法檢測(cè)獲得了一些成果：1）該試驗(yàn)研究表明，高密度電法在檢測(cè)金屬礦地質(zhì)環(huán)境條件及采空區(qū)方面有縱向分層數(shù)據(jù)采集分辨率高、對(duì)采空區(qū)敏感等優(yōu)勢(shì)，將高密度電法與瞬變電磁法、地震法進(jìn)行比較可知，在采空區(qū)檢測(cè)中可以獲得更好的實(shí)際效果。2） 對(duì)測(cè)區(qū)測(cè)線數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，使用了大量的地球物理信息，反演加工處理可以明確體現(xiàn)采空區(qū)的詳細(xì)分布情況，合理利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步保證成果更有效、更可信。