超高密度电阻率法在煤矿采空区中的应用

乔天成

（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队，乌鲁木齐 830011）

1 超高密度电阻率法简介

超高密度电阻率法是一种集高速，大量数据采集，灵活的电极布置和反演技术于一身的电法新技术。它的基本思路仍然是基于电法勘探的最基本原理[1]，即基于在人工直流电流的作用，达到勘探地下地质构造，判别地层岩性的目的。采用的仪器是澳大利亚ZZ Resistivity Imaging 研发中心生产的FlashRES64 多通道、超高密度直流电法勘探系统。通过一次布极，计算机程序化控制电极变化，从本质上提高了电法勘探精度和工作效率。

2 超高密度电阻率法数据处理与资料解释

数据处理工作采用澳大利亚ZZ Resistivity Imaging 研发中心研发的专业软件完成。数据处理过程大致包括数据检查、数据预处理、网格剖分、正演、反演、反演结果成图和地质成功解释。

超高密度电阻率法数据反演时，首先设定一个电阻率分布理论模型（和实际地下电阻率分布情况有些差异）；其次用理论模型做正演推算，得出理论电阻率数值；再次计算实测电阻率数据与理论数据之间的差值；然后按照一定的算法把各个差值归算到剖分的网格中去，以此校正设定的理论电阻率模型，得出一个新的理论电阻率分布模型；用得出的理论模型再做正演推算，重复上述步骤，连续迭代直到理论模型统计校正值足够小时停止，就是理论模型与实际电阻率分布已很接近，把这时的理论电阻率分布模型当作最终反演结果[2]。

2.1 2.5维电法正演基本方程式：

▽•（σ▽`U）-ky²σ`U=-I/2δ（x-xc）δ（z-zc）其中，，σ为电导率（电阻率的倒数），I为电场强度，（xc，zc）为电流极的位置。通过解此方程可得到当一个电流极在（xc，zc）处时的电场强度分布状况。

2.2 电法反演基本方程式：

其中：Φd（m）=||Wd（d0-d（m））||2，Φm（m）=||Wm（m-m0）||2，m 为电阻率，λ 为平衡因子，d（m）为正演推算电场数据，d0为实际测量电场数据，m0为反演初始模型，Wd和Wm为加权因子；加权因子控制迭代过程中对模型的修正量，依实测数据信噪比高低取值。

3 在勘探煤田采空区中的应用实例

工作区目标体与围岩地层的电阻率差异明显，为该区进行超高密度电法勘探工作提供了良好的地球物理前提。但由于各种介质的电阻率除本身的电性特征外，还受多种外界因素的影响，如湿度、温度、孔隙度等等，所以通过钻孔资料的协助来对该地区的地质情况进行针对性的分析，可以显著提高解释的准确性。

此次超高密度电阻法测量共完成了7条剖面，其中5 条为平行公路主线的纵剖面，1 线和2 线为垂直公路主线的横剖面。以下重点介绍典型特征剖面2号线。

3.1 2号线剖面成果解释推断

电阻率断面图显示，该剖面的地层主要分为3层（见图1）：

图1 2号线剖面视电阻率及推断解释图

图2 1号大桥采空区推断解释平面图（俯视图）

图3 1号大桥采空区推断解释平面图（左视图）

①在表层为粉土、碎石土及大块砾石，电阻率中等，约为150～600Ω·m，厚度差异较小。西段厚度小，基本可见煤层及强风化的砂岩出露，覆盖层基本小于1 米；中东段厚度稍大，约在5～10 米，有多处小规模的中高电阻率异常，可能与覆盖层中规模较大的强风化砂岩块体有关。

②第二层为强风化泥质粉砂岩、砂岩，厚度较小，显示为中低电阻率特征，电阻率值约为60～400Ω·m，厚度约为5～30 米。中部300～480 米整体向下塌陷，可能存在大规模的破碎带。

③第三层为中风化砂岩、砾岩，剖面西段和东段电阻率高，变化平稳，总体约在200～800Ω·m之间，厚度约为30～150 米；局部圈闭的电阻率高，大于1500Ω·m。与出露的中下侏罗统西山窑组泥质粉砂岩、砂岩电性特征吻合。

剖面中部300～480米整体显示为低阻异常，延深较大，地表可见多处塌陷坑，有垮塌现象，因此认为该处低阻异常可能是富水的断裂破碎带引起。在距离剖面西北端310 米处，剖面穿过1#矿坑道，显示为小规模的低阻异常，该坑道位于山前汇水区，因此，推测该低阻异常可能是1#矿坑道采空区的反应。

3.2 平面成果解释推断

为有效查明工作区的采空区位置和分布特征，物探布设了十字剖面进行详细普查，将纵、横剖面发现的采空区进行综合分析，绘制了区内采空区的平面分布特征成果表，以便指导下一步工作的开展。通过纵剖面的俯视图和左视图可以看到，工作区内主要存在两条疑似贯通的采空区，剖面中部的采空区规模略大，自8 线一直延伸到12 线，连续性较好，是本区存在的最大安全隐患。

4 结论

本次物探工作依据煤层、采空区与围岩存在电性差异特征，采用超高密度电阻率法对本区煤层采空区进行勘察，通过7 条剖面的综合分析，圈出了12处疑似采空区，有四处与已知的三个采矿坑道、通风井吻合较好，高密度电法获得的异常能够有效识别采空区、塌陷区的位置及延伸特征，达到了本次工作目的。