综合地球物理勘探技术在采空区位置探测的应用论文

分类：物理论文发表 时间：2011-11-23 11:31 关注：(1)

张 刚

摘要：本文物理论文对综合地球物理勘探技术中 卡法和高密度电法进行分析，利用 卡法和高密度电法相结合的手段对采空区进行探测，效果良好。

关键词：综合地球物理勘探；采空区； 卡法；高密度电法；

O 论文引言

在治理采空区塌陷等地质灾害时，采空区位置的探测显得尤为重要。矿产资源的开采，必然在地下形成采空区，导致地面发生沉降甚至塌陷，从而诱发一系列的地质灾害，如耕地破坏、地下水枯竭、生态坏境恶化、房屋受损、道路地裂变形等，严重时甚至危害人身安全。因此，探明地下采空区的位置并进行及时有效的治理，是一个亟待解决的难题，具有重要意义。

钻探是探测地下采空区的传统方法，但工期长，费用高，而且钻探过程中可能会发生局部采空遗漏的现象。综合地球物理勘探方法在一定程度上弥补了钻探的缺陷，探测快，效率高。近年来，伴随着地球物理反演理论的改进、大规模集成电路的应用以及计算机数值计算能力的提高，出现了高精度重磁勘探、高密度电法、地震层析成像、瑞雷波法、放射性勘探和探地雷达等各类新方法。本文物理论文以卡法和高密度电法为例，探讨综合地球物理勘探方法在某煤田采空区探测中的应用。

1采空区地质特征

地下矿层采空后形成的空间称为采空区。采空区的出现，打破了原有的应力平衡，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落嘲。以煤田采空区为例，可将它分为：①冒落带：煤层采空上部岩层出现坍落；②裂隙带：冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；③弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而不再破裂。如果采空区较深且上覆岩层坚硬，则坍塌的可能性较小，即使坍塌下沉，对地面影响也较小；反之，则影响较大。尤其当采空区尚未充填密实时，在其上方建造高层建筑将诱发地基继续沉陷，使建筑物沉降、局部开裂、倾斜直至倒塌。

2 卡法和高密度电法基本原

2.1 卡法和高密度电法优势

卡法和高密度电法用于采空区探测具有以下优越性：①安全便捷，从地表直接进行观测，避免因人员与仪器设备进入地下采空区受井下恶劣环境影响而带来的实测时间长、作业不安全、仪器设备易受潮损坏等弊端；②探测成本低，无需对巷道重新修复或增设大量工程，无需另设井下照明、通风设施。

2.2 卡法

卡法属于 径迹测量，是一种累计法测氡技术。 卡是一种用对氡的衰变子体具有强吸附力的材料(聚酯镀铝薄膜或自身带静电的材料)制成的卡片，将其放在倒置的杯子里，埋在地下聚集土壤中氡子体的沉淀物。数小时后取出卡片，在现场用 辐射仪测量卡片上沉淀物放出的 射线强度，即能发现微弱的放射性异常。

地下采空区改变了原地层的紧密程度，致使该区通气性能好，氡气能够较好的运移并聚集，富集放射性元素。由于地下应力不断变化，上覆岩层在重力及各种外力作用下，裂隙不断增加，岩层的透气性能逐渐增强，这为氡气向上运移创造了有利条件，再加上地温、地压的差异及地下水对流作用等，将在采空区上方形成一股向上运移的气流，故采空区上方出现放射性异常高值。

2.3高密度电法

传统的电阻率法勘探主要有电剖面法和电测深法。电剖面法关注的是地层电阻率横向上的变化，多为定性解释；电测深法一般为定量解释，但旁侧电性不均匀体的影响对电测深解释的干扰很大。高密度电法不仅是这两种方法在装置上的简单整合，而且在建立正反演模型时综合考虑二维甚至三维空间中不规则电性体的空间干扰，提高了解释的合理性与精确度。

实际工作中将全部电极布置在测线上，通过多芯电缆将电极连接到程控多路电极转换开关，按事先设置好的装置类型、极距、测点等采集参数，自动选择不同的供电、电极进行测量。

采空区未充水时，它在电性上是典型的高阻体，视电阻率等值线断面图中一般都是高阻异常封闭圈；采空区充水后，它一般反映为低阻体，视电阻率等值线断面图中为低阻异常封闭圈，并且视电阻率值随水的矿化度及熔融状态的变化而大幅变化。

3 应用实例

3.1 卡法和高密度电法野外应用

在某煤田采空区共进行了10条测线的 卡法和高密度电法监测工作。

卡法使用HFS-1型辐射仪，挖坑深度0.4 m，埋杯时间大于4h，每张 卡测量时间为3min。测线号从10到100，各测线互相平行，测线距为40m；每条测线测点号从0到580，共30个测点，测点距为20m。

高密度电法使用DUK一2高密度电法仪，数据采集时共使用60根电极，采用温纳装置，物理电极距10m，测线长度590m，最大隔离系数16。在 卡法各测线上均进行高密度电法监测工作。

3.2 剖面解释

对所有 卡法实测数据进行必要的整理(如圆滑去除随机干扰等)后，绘制各测线 射线强度脉冲读数剖面图和平面剖面图；使用Res2 Dinv软件，对高密度电法实测数据剔除坏点、圆滑和滤波后，进行最小平方反演，得到各测线视电阻率等值线断面图。选取50号测线说明 卡法(图1)和高密度电法(图2)对地下采空区良好的探测效果。

 

图1 50号测线采空区 射线强度脉冲读数剖面

图l中， 卡法50号测线上O～180m段、280～400m段和500～580 m段，均显示为 射线强度放射性异常低值；而测线上200～260 m段和420～480m段， 射线强度显示为放射性异常高值，读数均在120以上。故此推断测线上200～260m段和420～480m段可能存在地下采空区。

图2中，高密度电法50号测线60～220m段，埋深小于31.3m，视电阻率值在390Ω•m以下，表现为视电阻率异常低值。其中测线140～180m段，埋深13.9 m附近，视电阻率异常显示局部高值，推测该处为浅部电性不均匀体的反映；测线220～260 m段，深度58.5 m以下出现视电阻率异常高值，达4055Ω•m左右，高值异常继续向下延伸，未形成等值线封闭圈，超出了高密度电法探测深度范围。推测此处为本工作区内埋深较大的未充水采空区；测线260～420 m段，视电阻率再次显示为异常低值，只是测线300～340m段深度13.9m附近再次出现浅部电性不均匀体；测线420～480m段深度31.3 m左右视电阻率出现异常高值(达2259Ω•m左右)，异常等值线形成完整封闭圈，推测为研究区内埋深较小的未充水采空区；500～580m段视电阻率又恢复为异常低值。

 

图2 50号测线采空区视电阻率等值线断面

根据收集的地质资料显示，50号测线160 m处曾对地下浅部采空区进行过灌浆处理，这与测线160 m附近出现浅部电性不均匀体的地球物理解释相吻合。测线300～340 m段出现的浅部电性不均匀体异常也是浅部采空区灌浆处理后的反映。

可以看出，50号测线 卡法和高密度电法对地下采空区位置的判断是一致的。根据两种地球物理方法的解释成果，分别在50号测线240～450 m段布置ZK5和ZK6进行钻探验证。钻探结果证实了 卡法和高密度电法地球物理解释的正确性。

4 论文结语

(1)未充水采空区上出现 射线强度脉冲读数异常高值和视电阻率异常高值，是某煤田探测地下采空区的地球物理前提条件。

(2)采用 卡法和高密度电法相结合的手段，正确选择合理的技术参数。排除各种干扰，在满足地球物理前提条件下采空区进行探测，效果良好，结果可靠。

(3)应尽可能地收集采空区地质、钻孔资料，根据采空区所具有的多种物性差异，开展综合地球物理勘探工作，相互配合相互验证，增强反演的约束条件，确保反演方法的有效性和反演结果的合理性。