孫 飛

（山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東濟(jì)南 250100）

0 引言

礦山的采空區(qū)是指煤礦開(kāi)挖后形成的地下空間。煤礦采空區(qū)因周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)的變化極易導(dǎo)致失穩(wěn)破壞，進(jìn)而造成上部工程作業(yè)的極大安全隱患。例如：2015年12月25日，山東省臨沂市平邑縣境內(nèi)一處礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)坍塌，導(dǎo)致井下作業(yè)的29名人員被困；2016年3月23日，山西同煤集團(tuán)的同生安平煤業(yè)公司5＃層8117綜采工作面發(fā)生一起采空區(qū)重大坍塌事故，釀成19人死亡的慘?。?017年3月28日凌晨，烏魯木齊市水磨溝區(qū)煤礦采空區(qū)發(fā)生塌陷事故，共造成4人死亡、3人受傷。我國(guó)的一些礦產(chǎn)資源由于開(kāi)采后未進(jìn)行有效的采空區(qū)處理，造成了大量的采空區(qū)隱伏于礦區(qū)的現(xiàn)象，從而釀成了多起礦難[1-5]。當(dāng)前，很多礦場(chǎng)為了提升開(kāi)采效率，開(kāi)采方式由井工開(kāi)采改為露天開(kāi)采，而潛伏于露天采區(qū)地下的采空區(qū)則嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)已成為采礦技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一[6-7]。

高密度電法以探測(cè)區(qū)域礦石、巖土以及地下水等介質(zhì)導(dǎo)電性能的差異為基礎(chǔ)，采用高密度電阻測(cè)試儀器，對(duì)近地面電場(chǎng)的分布范圍和變化規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而獲取場(chǎng)地的地質(zhì)特性，并對(duì)相應(yīng)區(qū)域的地質(zhì)問(wèn)題提供物理性勘探的方法[8]。高密度電法能夠?qū)Φ叵虏煌N類(lèi)礦體進(jìn)行探測(cè)，也可以對(duì)地下水和深部地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行研究分析。該法通過(guò)布設(shè)電極進(jìn)行電學(xué)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析電阻參數(shù)而突出異常的地質(zhì)信息，具有可視化、數(shù)據(jù)真實(shí)、測(cè)試速度快、精度高、測(cè)試深度靈活等優(yōu)點(diǎn)。另外，該法對(duì)地下水特別敏感，致密完整的礦體、巖體電阻率較大；破碎的礦體、巖體含裂隙水，可探測(cè)的電阻率大幅下降[9]。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高密度電法的探測(cè)深度和面積明顯增加，抵抗環(huán)境的強(qiáng)干擾能力也明顯提高，在礦山工程水文地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)資源勘查中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[10-11]。

本文以山東省東營(yíng)市一處煤礦礦山為例，對(duì)篩選的重點(diǎn)區(qū)域位置開(kāi)展高密度電法的勘查工作，討論了高密度電法在煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果，獲取礦山地層的電阻率分布范圍，以研究礦體的厚度、巖性、埋藏深度和裂隙水地段。

1 高密度電法的介紹

利用高密度電法儀進(jìn)行地層電阻率勘察的工作原理是以礦體、巖土的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，分析在穩(wěn)定的電流場(chǎng)作用下地質(zhì)體中電流傳導(dǎo)分布的規(guī)律。如圖1所示，高密度電法的基本理論依據(jù)與電阻率測(cè)試相同，通過(guò)地表上兩個(gè)不同電極A、B向地質(zhì)體傳輸電流I，然后測(cè)試電極 M和N 之間的電位差 ΔU，進(jìn)而獲得M和N 之間的電阻率值 ρ。根據(jù)反演該剖面處的電阻率分布譜研究礦山工程地質(zhì)的特征，再結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料解決地層劃分和異常地質(zhì)現(xiàn)象的難題。

圖1 高密度電法測(cè)試示意圖

本試驗(yàn)采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B高密度電法儀（見(jiàn)圖2），其電壓測(cè)量分辨率為1 μV，電流測(cè)量分辨率為1 mA ，該儀器可以在溫度為-20～60℃、濕度小于93%的環(huán)境條件中進(jìn)行勘探工作，采集測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分辨能力較高，且可以自動(dòng)保存和輸出。該儀器可以應(yīng)用于礦區(qū)地層工程地質(zhì)條件初探、井下煤層頂板和底板富水性探查、掘進(jìn)工作面水文地質(zhì)條件超前探查、地面水文地質(zhì)條件探查等，用于回采工作面底板水害預(yù)警系統(tǒng)及交互式掘進(jìn)巷道超前富水性監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。此儀器采用鎖相放大技術(shù)、低功耗分布式電極轉(zhuǎn)換裝置和即時(shí)數(shù)據(jù)處理及成果顯示等，與其它探測(cè)方法相比，高密度電法具有極高的抗干擾性能及測(cè)量精度、探測(cè)深度大、信息豐富、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 高密度電法測(cè)試裝置

在地表平整和物理性質(zhì)均勻的地層中，電極MN之間電位差由式（1）計(jì)算。

地質(zhì)體電阻率表達(dá)式見(jiàn)式（2）。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需要將全部電極棒（一般為幾十至幾百根）置于被觀測(cè)的剖面測(cè)點(diǎn)上，在同一剖面上布置電極時(shí)可組合出多種裝置，如三級(jí)裝置、溫納裝置、斯倫貝謝裝置和偶極-偶極裝置等。

2 工程實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)條件

進(jìn)行測(cè)試的煤礦礦山位于山東省東營(yíng)市北部，所處區(qū)域的構(gòu)造屬于東南向斷拗 II 級(jí)構(gòu)造單元，地層的凸起呈東南向展布，東北部的基巖埋藏深度較大，西南部的基巖埋藏較淺，約為150～250 m，中部基巖埋深最淺，平均小于100 m。在工程地質(zhì)方面，該礦區(qū)在構(gòu)造格架上均屬紅石河地臺(tái)，礦區(qū)的地殼穩(wěn)定性較高，礦區(qū)出露白堊系頁(yè)巖、砂巖，巖層的走向?yàn)楸睎|20°，邊坡傾角接近1∶1.5。由地層的巖性組合與地下水埋藏條件分析可知，礦區(qū)的主要含水巖組為第四系孔隙煤巖組，而基巖為相對(duì)隔水層，基本不含地下水。

根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)研得知，該煤礦礦山經(jīng)過(guò)多年的地下開(kāi)挖轉(zhuǎn)型為露天采礦，由于前期的開(kāi)采過(guò)程未見(jiàn)詳細(xì)記載，在露天開(kāi)采中已有部分區(qū)域的采空區(qū)發(fā)生塌陷的現(xiàn)象，證實(shí)在該礦山采場(chǎng)的下方存在隱藏的采空區(qū)，給后續(xù)的煤礦開(kāi)采工作造成了極大安全隱患。因此，對(duì)煤礦礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)開(kāi)展地質(zhì)體探測(cè)十分必要。

2.2 高密度電法探測(cè)結(jié)果

電阻率是土的固有物性參數(shù)之一，主要取決于土的物質(zhì)組成、孔隙水、孔隙結(jié)構(gòu)等，亦受外界環(huán)境因素影響。一般地，在不考慮浸水條件下，地質(zhì)體的裂隙越密集，其電阻率越大。在地下采空區(qū)形成前，巖層未經(jīng)開(kāi)挖工程的擾動(dòng)，電阻率的變化不明顯；而在地下采空區(qū)形成過(guò)程中，由于爆破擾動(dòng)導(dǎo)致地質(zhì)體內(nèi)部出現(xiàn)大量的孔隙和裂隙，從而使電阻率值顯著提高[12]。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，由礦山整體電阻率值的分布情況可以初步確定地下采空區(qū)的位置。然后在所確定的采空區(qū)位置區(qū)域布設(shè)電極網(wǎng)，測(cè)得該位置的地層剖面電阻率。

目前，地質(zhì)體電阻率原位測(cè)試方法主要包括電極法和電阻率探頭法（RCPT），兩者都是通過(guò)四個(gè)電極對(duì)土的電阻率進(jìn)行測(cè)量。電極法測(cè)試方法簡(jiǎn)單、設(shè)備便宜、易操作。通過(guò)調(diào)整電極的間距，既可用于小尺寸土體的電阻率測(cè)量，也可用于大范圍的地電阻率測(cè)量，在地球物理學(xué)領(lǐng)域、工程地質(zhì)勘察中都有廣泛地應(yīng)用。本試驗(yàn)場(chǎng)地的測(cè)試長(zhǎng)度為60 m，電極的間距為1 m，一共布設(shè)60根電極棒，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)地表較為平整。

經(jīng)過(guò)對(duì)礦區(qū)地層進(jìn)行剖面的高密度電阻率數(shù)據(jù)采集和處理，并將得到的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，利用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行地質(zhì)剖面的數(shù)據(jù)整合，得到反演分析所需要格式的數(shù)據(jù)。本研究應(yīng)用SURFER 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，采用局部最優(yōu)線性無(wú)偏估計(jì)法對(duì)電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，所得網(wǎng)格大小約為 2 m×1 m。首先對(duì)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除，然后根據(jù)瑞典RES2DINV 自動(dòng)迭代的反演程序采用有限元法進(jìn)行正向分析，最后結(jié)合已知地質(zhì)、水文及前期勘探資料，用光滑約束的最小二乘法進(jìn)行反演分析，在反演過(guò)程中約束了礦區(qū)地層的電阻率范圍，迭代次數(shù)為3～5次，得到的RMS<15，計(jì)算誤差小于5%，即可得到反映地層介質(zhì)的可視化電阻率反演剖面圖。圖3 所示的是G1-G3電阻率剖面圖（非采空區(qū)）；圖4所示的是G4-G6電阻率剖面圖（采空區(qū)）；圖5為縱向 G1-G6 測(cè)線范圍內(nèi)的高密度電法反演剖面圖。

從圖3可看出，非采空區(qū)場(chǎng)地的3組剖面都具有相似規(guī)律，從上至下約20 m的范圍內(nèi)，電阻率從5 Ω·m升高至200 Ω·m左右，隨著深度增加電阻率有明顯的分層現(xiàn)象，這也說(shuō)明隨著深度的增加，地應(yīng)力水平的提高使得礦山巖體的致密程度提高。此外，在3組非采空區(qū)的地質(zhì)剖面中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大型塊石或者空谷，這與鉆孔結(jié)果以及勘察報(bào)告是相符的，說(shuō)明該探測(cè)點(diǎn)下方并無(wú)隱藏采空區(qū)。圖4所示的3個(gè)剖面位于采空區(qū)的區(qū)間上，這組剖面的電阻率沿深度分層現(xiàn)象不明顯，電阻率的分布呈明顯的不均質(zhì)性。測(cè)試到采空區(qū)1大致位于地表以下約12～15 m左右，水平位置約為14 ～17 m處；采空區(qū)2大致位于地表以下約18～25 m左右，水平位置約為24 ～30 m處，測(cè)得區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體的電阻率值明顯低于周?chē)拭娴刭|(zhì)體的電阻率，符合煤礦礦山采空區(qū)地層電阻率分布特點(diǎn)。

圖3 非采空區(qū)電阻率反演斷面（G1-G3）

圖4 采空區(qū)電阻率反演斷面（G4-G6）

2.3 采空區(qū)地質(zhì)體推斷圖

高密度電法可以很好地反映出該煤礦地層，采空區(qū)地質(zhì)體的不均勻性導(dǎo)致其電阻率的不均勻，而非采空區(qū)的巖層較為均勻，相應(yīng)的電阻率較為均勻。通過(guò)對(duì)高密度電阻率剖面的反演分析，結(jié)合前期鉆探結(jié)果得到該區(qū)域地質(zhì)體的推斷圖（見(jiàn)圖5）。從圖中可以看出在水平位置0～20 m范圍內(nèi)的淺層分布有第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土（Q4pd）；水平位置0～42 m范圍內(nèi)的地層為下白堊統(tǒng)梁山組（K1l）和青龍組（K1q）煤巖；水平位置42～60 m范圍內(nèi)的地層分布有上三疊統(tǒng)（T3）灰?guī)r。在水平位置20～36 m、地下深度4～9 m和水平位置46～55 m、地下深度2～5 m范圍內(nèi)，地質(zhì)體的電阻率分布極不均勻。因此， 結(jié)合已知水文地質(zhì)資料及電阻率反演結(jié)果總結(jié)的采空區(qū)電阻響應(yīng)特征，綜合推斷解釋這2處電阻率異常區(qū)域?yàn)槔细G采空區(qū)導(dǎo)致，采空范圍如圖5中虛線框位置，結(jié)果表明該礦山勘探區(qū)域內(nèi)存在兩處潛伏采空區(qū)。結(jié)合鉆掘勘探的結(jié)果，在鉆進(jìn)深度為15 ～25 m位置處發(fā)現(xiàn)了冒水的情況，說(shuō)明該位置主采煤層已經(jīng)采空積水，這與電阻率反演結(jié)果推斷幾乎一致。高密度電法雖然精度有限，但可以用于圈定采空區(qū)的大致分布范圍，且高效便捷，在采空區(qū)勘探實(shí)際應(yīng)用中具有較好的適宜性。根據(jù)高密度電法的物探結(jié)果，采礦單位應(yīng)及時(shí)對(duì)礦區(qū)內(nèi)的這兩處采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理。綜上所述，本文提出了基于高密度電法探測(cè)煤礦采空區(qū)的方法，該法可以基本探明煤礦礦區(qū)內(nèi)的采空區(qū)位置。本研究為煤礦采空區(qū)地質(zhì)勘探和處理提供了有效的數(shù)據(jù)支持，有助于發(fā)現(xiàn)煤礦開(kāi)采過(guò)程中可能存在的安全隱患問(wèn)題。

圖5 基于高密度電法的采空區(qū)地質(zhì)體推斷圖

3 結(jié)論

選取典型煤礦礦山地層進(jìn)行高密度電法測(cè)試，由數(shù)據(jù)反演獲得了地層剖面的電阻率分布圖，并得到以下結(jié)論：

（1）由高密度電法探測(cè)得到的3組非采空區(qū)電阻率剖面存在相似分布規(guī)律，電阻率隨深度增加逐漸增大，且呈明顯分層特點(diǎn)，其電阻率從5 Ω·m升高至200 Ω·m。

（2）3組采空區(qū)剖面的電阻率分布極不均勻，且在剖面內(nèi)部存在電阻率異常小的空洞區(qū)域，表明該區(qū)域存在潛伏采空區(qū)。

（3）由高密度電法對(duì)采空區(qū)分布情況進(jìn)行了基本推斷，獲得的潛伏采空區(qū)具體位置與鉆掘勘探的結(jié)果幾乎一致，為煤礦礦山采空區(qū)地質(zhì)勘探和處理提供了數(shù)據(jù)支持。