综合物探方法在太原市蒙山采空区探测中的应用

  物探方法在查明地下采空区方面已成为人们公认的有效探测技术手段，但利用物探方法查明太原市蒙山采空区的地下分布，除必须具有一定的勘探深度外，还受到该区地形起伏较大、测线不能完全按直线布置等因素的制约。针对这种特殊的场地条件，在充分考虑现有各种物探方法的特性及应用条件的基础上，提出了阵列形式观测的高密度电阻率法和单点测量方式的瞬变电磁法相结合的综合物探方法。

 

  1 工区地质及地球物理特征

 

  测区属太原西山，地形起伏较大，仅有一条狭窄的S 型沟谷近南北向从测区中部穿过，两侧为悬崖陡壁( 图1) 。出露地层由老到新依次为: 二叠系下统下石盒子组、上统上石盒子组，第四系全新统主要为坡积风积物。区内所出露地层形迹表明为一单斜构造，地层多呈舒缓波状单斜产出，总体倾向为东南。

 

  本区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。石炭系上统太原组( C3 t) 岩性为砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩、石灰岩及煤层，含煤共有10 层，其中8 号煤层为较厚煤层之一，也是本区主要采空区分布层。

 

  当地下煤层未被采动时，其地层一般呈现成层性和完整性，在小区域内同一地层的电性差异不会太大。通常情况下，石灰岩、煤层电阻率较高，其次为砂岩、泥岩，有充水岩溶裂隙的岩层电阻率较低。

 

  煤层被采空后，煤层上下岩层间形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性和连续性，与此同时由于地应力的失衡将产生一定程度的冒落和裂隙。若采空区未被充水，其电阻率明显高于周边完整岩石的电阻率，表现出局部高阻异常特性，当采空区的空隙被水充填时，其电阻率则呈低阻异常反映。此外，灰岩层和未开采煤层沿地层方向电阻率较均匀且分布范围一般很大，而采空区所对应分布范围相对较小，呈局部电阻率异常分布特征。这种地电异常特性为电法勘探圈定地下采空区分布提供了依据。

 

  据前人工作成果和本次野外测试结论，工作区主要岩性、介质的电阻率( 单位: Ω·m) 为: 空气—∞，灰岩— ＞ 300，煤层—25 ～ 50，砂岩—17 ～ 35，泥质页岩—7 ～ 24，地下水— ＜ 10。

 

  从上述各类岩性、介质的电阻率特征可见，无论区内采空区是否充水，均与其周围介质存在明显的电阻率差异，这为本区开展电阻率法提供了必要的物质基础。

 

  根据已有水文钻孔资料，本区石炭系上统太原群8 号煤层埋深22 ～ 26 m，潜水面位于地下40 m以下，从而表明本区8 号煤层采空区位于潜水面之上，呈非积水或半积滞水下的高阻性，与其围岩存在着明显的电阻率差异，即探测目标体为高阻无充水采空区，加之探测目标体埋深较浅，并具有一定分布规模，应易被发现，从而为开展高密度电阻率法和瞬变电磁法提供了良好的地球物理条件。

 

  2 探测技术

 

  依据采空区的分布特征和埋深( ＜ 50 m) ，本次高密度电阻率剖面法使用DUK-2 高密度电法测量系统，采用极距5 m，最小隔离系数为1，最大隔离系数为15，供电时间2 s，供电电压180 V，供电电流≥2 A，正反向供电测量方式; 选用温纳和偶极两种装置观测，以便更好地发挥高密度电阻率法勘探精度高的优势。

 

  瞬变电磁测深工作采用WTEM-1Q 瞬变电磁勘探系统，采用矩形中心回线装置。其中: 2 m × 2 m发射线框为10 ～ 20 匝，1m × 1 m 接收线框为20 匝矩形，阻尼电阻500 Ω·m; 供电电流5 ～ 7 A，控制延时0． 2 μs，采样间隔16 μs，关断时间12 ～ 35 μs，前放增益8 倍，主放增益8 倍，叠加30 ～ 60 次，发射频率为8 Hz，共分28 个采样道。

 

  3 资料处理

 

  对高密度电阻率法所得的数据，首先进行数据编辑，剔除突变点，然后依次进行曲线圆滑、地形数据编辑、视电阻率断面色谱图绘制，对处理后带地形数据的视电阻率数据，利用电阻率层析成像系统CRT 软件或MapGIS 软件进行视电阻率断面色谱成图，并采用瑞典RES2DINV 高密度电法软件进行了二维反演计算，选择了具有强制平滑( smoothnessconstrained)的最小二乘法反演。

 

  瞬变电磁测深数据使用吉林大学的GeoElectro电法数据处理系统进行处理，进行数据截断与光滑，消除IP 效应、局部噪声和其他干扰因素的影响; 地形数据编辑，并利用强制平滑的最小二乘法反演技术进行反演计算，获取地电断面反演结果。

 

  4 反演成果的综合解释

 

  根据地质和物性资料可知，本区采空区为8 号煤层，因位于潜水面以上具有局部高阻特征，埋深一般在20 ～ 30 m 之内。

 

  综合解释原则如下:

 

  ( 1) 鉴于采空区一般具有走向性，因此其高阻异常特征在相邻剖面间应具有可比性。

 

  ( 2) 同一剖面上两种方法反演地质解释要相互印证，二者局部高阻异常重合是判断采空区存在的依据。此外，鉴于二维阵列形式观测的高密度电阻率法异常受剖面折线展布的影响较大，而点测方式的瞬变电磁法异常不受或很少受剖面折线展布的影响等因素，故进行反演地质解释中采取以瞬变电磁反演成果为主，高密度反演成果佐证的采空区分布解释的推断原则。

 

  现以Ⅱ号剖面为例，对其反演成果进行综合地质解释。Ⅱ号剖面沿山谷土路西侧布置，剖面长度295 m。

 

  图2 显示，Ⅱ剖面的左侧呈高阻背景区，右侧为低阻背景区，反映了地下岩性的不同分布，结合地质调查成果，初步推断分别是泥质灰岩和砂质页岩的反映。在剖面上30 ～ 50 m 之间存在一个明显的高阻异常带; 此外，在剖面上的120 ～ 250 m 间与上述相近供电极距上也同样分布局部高阻异常带，初步推断为地下采空区。

 

  由图3 可见，Ⅱ剖面上200 μs ～ 3． 2 ms 时间道，在20 ～ 40 m、75 ～ 100 m、150 ～ 200 m 和225 ～255 m 间呈现为低压异常反映，初步推断属地下采空区异常反应，是与高密度电阻率法所发现的采空区异常区基本一致的。

 

  图4、图5 显示了瞬变电磁法和高密度电阻率法的反演电阻率异常特征。在瞬变电磁法剖面970～ 980 m 高程范围内，沿剖面35 ～ 95 m、120 ～ 180 m和215 ～ 245 m 位置上分布有等值线封闭的高阻异常带，对应的高密度反演电阻率值均在300 Ω·m以上，两种物探方法的异常对应明显，吻合度较高，得到了相互印证。由于高密度电阻率法测线受地形的限制按折线布置，在测线的转折位置，实际供电极距和测量极距出现了不同程度的减小，使得测量的真实电位减小，从而导致转折位置的电阻率值偏小，因此在图4 中转折位置呈现出不连续的垂向“低阻带”。根据已知地质和物性资料，初步推断出沿剖面分布的3 处高阻异常带为采空区( 图5) ，进而利用各剖面的探测成果圈定出测区内的采空区分布范围。后期钻探验证了推断结果的正确性，表明上述物探方法的组合是行之有效的。

 

  5 结语

 

  在本次山区采空区勘探中，针对受地形起伏、变线测量等因素制约，选用高密度电阻率法和瞬变电磁法相结合的综合物探方法查明了太原市蒙山地下采空区。充分发挥高密度电阻率法信息量大、横向分辨率高等优势，达到了弥补瞬变电磁法的浅部探测肓区的作用。瞬变电磁法采用单点测量、一维反演方式，具有探测深度大等特点，又能弥补高密度电阻率法易受剖面折线展布及地形起伏影响的弱点，进而实现了两种方法的优势互补，相互印证，有效地提高了物探勘探成果的可靠性。高密度电阻率法的反演结果在测线转折位置呈现出电阻率不同程度降低，主要是由于转折位置处供电极距和测量极距不同程度地变小，造成测量电位的减小，从而导致异常值变低。因此，在成果解释过程中建议采取以瞬变电磁法反演成果为主，高密度电阻率法反演成果佐证的综合解释模式，实践表明该模式具有较好的探测效果，可供同类勘探工作借鉴。

 

  针对实际工作中常常遇到测线稍有弯折的问题，今后可研究非严格直线阵列高密度电阻率法。

 

  根据电极实际点位，具体计算每个记录点相应装置、极距的装置系数，精确计算其视电阻率，绘制实测视电阻率拟断面图，进而研究相应的二维反演方法。