浅谈双频激电在云南胡家山煤矿采空区勘查中的应用

摘要

本文概述了激发极化法的应用研究现状并提出了应用双频激电法探测采空区的观点。对采空区的形态特征及其视电阻率和视幅频率特征进行了初步分析，着重讨论了其幅频率特性，认为当地下煤层被采空后其激发极化特性被削弱，幅频率值降低，从而在高激发极化特性区域形成了小面积的低激发极化特性区域，给出了采用双频激电法探测采空区的物理条件。其次本文将小窑采空区近似为球型或板状体，给出了应用双频激电法探测小窑采空区，可能存在的几种电性异常特征，并在已知小窑采空区进行了实地探测试验，经数据整理与分析，所探测的采空区位置与煤矿提供的开采资料基本吻合，证明了应用双频激电法探测煤矿地下采空区是可行的，值得一试的。

关键词：煤炭； 采空区； 双频激电法 ；视电阻率

中图分类号：TU984 文献标识码： A

ABSTRACT

Firstly， the paper summarized the applied research present status of induced polarization method， analysed the relative merits of the different kinds of geophysical method detecting gob， and put forward the viewpoint of detecting gob using double frequency induced polarization method. The apparent resistivity and the apparent amplitude-frequency rate. The author mainly discussed the amplitude-frequency rate. After the underground coal being stopt out， the induced polarization characteristic of the coal is greatly weaken. As a result， the small area of induced polarization characteristic value formed in the district of high induced polarization characteristic value supply physical condition for detecting the gob using the induced polarization characteristic of the coal. Secondly， the paper approximately considered the small kiln gob as sphere or tabular body， analyzed some kind of electric anomaly characteristic that may existent in detecting the small kiln gob using double frequency induced polarization method-middle gradient method and double-dipole method； put experimentation on detecting gob in the given small kiln gob. By data reduction and analyses， detective gob position basically agrees with given production data， which manifest it is feasible and worthwhile to applying double frequency induced polarization method detecting coal mine gob.

Keywords： Coal；mined-out；dual-frequency induced polarization method；apparent resistivity

第一章 工作区地质地球物理特征

1.1 探测区工程地质概况

工程区地处云贵高原北部斜坡地带属滇东高原盆地区、昭通中山峡谷地貌，地势西南高东北低。地层出露齐全，除前寒武系及第三系外均有出露。早古生代，本区为浅海-滨海相碳酸盐、泥质碎屑岩沉积。

区域岩性为砂岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩夹薄层灰岩不等厚相间分布，地下水主要赋存于节理裂隙中，分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水两种类型。

1.3采空区对水库工程的影响评价

地下煤层采出后，采空区上方岩层在重力作用下会发生垮落、破裂、离层和弯曲。 在采空区上覆岩移动变形稳定后，按岩层的破坏程度，从采空区向地表可依次划分为 3 个不同的开采影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲带

第二章 方法原理与技术

过电位的产生与电流流过电极―溶液界面伴随的一系列电化学反应的迟缓性有关。当电流于阴极从溶液进入电子导体时，溶液中的载流子要从电子导体表面获得电子，以实现电荷的传递；同样，当电流于阳极从电子导体流入溶液时，溶液的载流子将释放电子。若此种电荷传递和相伴随的电化学反应的速度极快，则电子导体和溶液之间，电流可以“通常无阻”便不会在界面两侧形成异性电荷的堆积，因而不会形成过电位。[13]但实际上电极过程的速度有限，电子导体与溶液之间不是“通畅”的，故形成电位。随着通电时间的延续，界面两侧堆积的异性电荷将逐渐增多，过电位随之增大；过电位的形成和增大将加速电极过程的进行。之道过程的速度与外电流相适应。因而不再堆积新电荷时，过电位便趋于一个饱和值，不再继续增大。这便是过电位的形成过程和充电过程。过电位的饱和值与流过界面的电流密度有关，并随之增大而增大。[14]

2.2 离子导体的激发极化机理

大量野外和室内观测资料表明，不含电子导体的一般岩石也可能产生较明显的激发极化效应。一般的岩矿物为固体电解质，属于离子导体。关于离子导体的激发极化机理，所提出的假说和争论均较电子导体的多，但绝大数认为岩石的激发极化效应与岩石颗粒和周围溶液界面上的双电层有关[15]。主要的假说都是基于岩石颗粒―溶液界面上双电层的分散结构和分散区内存在可以沿界面移动的阳离子这一特性提出来的。其中一种比较有代表性的是双电层形变假说。先介绍如下：在外电流作用下，岩石颗粒表面双电层分散区中之阳离子发生移动形成双电层形变；当外电流断开后，堆积的离子放电，以恢复到平衡状态，从而可以观测到激发极化电场[16]。双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于沿离子表面移动的速度和路径长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间常数。这是激发极化法血爪地下含水层的物性基础。

2.3 方法技术

本次探测工作是在收集前期勘察资料与煤矿业主反映的煤矿开采情况的前提下进行，我方采用了激发极化电测深法为主，现场工程地质调查为辅的综合工程物探手段，按照“信息化勘察”模式进行工作。“信息化勘察”即将物探和地质调查、钻探等看成一个互动过程，勘察信息互相反馈，互相解释，以优化解释信息，达到以较少的勘察费用，改善勘察效果的目的。虽然本次工作目前没有进行钻探验证，但前期勘察工作中布设有钻探工作，故可结合前期钻探资料对本次物探工作进行资料对比、分析、研究。

表1 完成主要工作量一览表

注：物探测线控制点位置、高程测量由昭通市水利水电勘测设计研究院测量队完成，并提供成果。

2.4 物探野外工作方法

本次探测工作是在收集前期勘察资料与煤矿业主反映的煤矿开采情况的前提下进行，我方采用了激发极化电测深法为主，具体工作方法如下：

（一）测线布置及工作参数试验：

测线的布置根据工程特性、地形地貌以及煤矿业主反映的采空区情况综合考虑，宏观上网度控制的同时，重点部位加密控制。为确保探测精度，测点距均按10m密度。

激发极化电测深法：大致沿河谷、及大坝左侧小路布置4条测线，大致顺山坡布设3条测线，各测线点距均为10米。

测线的平面布置详见附图《物探测线平面位置图》。

在探测工作正式开始之前，进行现场实测试验，即在已知地下目标体位置进行多参数测试，根据地表覆盖层及基岩的物探曲线形态特征，确定各电性层参数，选择最佳分辨率与要求探测深度的最佳结合点。根据现场试验，选定的工作设置如下：

（1）测量高程范围：1480～1530m；

（2）供电电压：270～360V；供电电流：0.01～1000mA；

（3）测点点距：10m。

（二）数据信息采集和成图及成果资料修正：

本次激发极化电测深使用的仪器为激发-探测-收集-输出一体化高精度仪，最终通过测试仪器和电脑间的通讯信号，数据处理软件对原始数据进行计算、处理、成图。

在取得原始成果图后，根据地形、地质等地质信息，采用专业软件与人工干预去噪、反演分析，去除伪信息，达到贴近真实目的。在此基础上，将物性信息转化为地质信息，绘制地质模拟图形。为确保本次工作的探测质量，首先对工作仪器进行了标定。现场工作时，按仪器操作手册、技术规范严格执行，改善激发、接收、接地条件，克服现场随机干扰。采用了事前试验性测试，正式工作时同位置重复检测的自检以及选择有代表性的工点采用不同操作人员重复观测。数据抽检率为20%。分析解释工作中，用多软件进行数据处理，计算机成图，同一测线二次观测的结果位置绝对误差不超过0.2m，以保证探测成果的质量。

第三章成果与综合解译推断

根据激发极化电测深物探成果，结合地质调查、井下测量、前期工程地质勘察资料，将物探测线反映的地质剖面进行解释。 3.1 物探资料解释原则

（1）遵循从已知到未知、从点到面、从简单到复杂、从局部到全区的原则。充分收集测区地质、物性和钻孔资料，充分考虑各种复杂因素对观测结果的影响，依据地球物理规律，认真分析物性断面参数和地质断面之间的联系。

（2）地层电性参数可由已知点测深曲线反演计算的平均值作为地层物性参数结果，同时要掌握全区地层物性参数的纵、横向变化规律。

（3）充分研究目的层、目标物及相关地层的对应物性标志，同时进行点、线、面的对比解释，并注意各标志的纵横向联系。

（4）在定性解释的基础上，对获取的单支曲线、物性参数剖面进行多方法的数据处理成图，同时分析各种地质特征在多参数图件上的所表现出的特征，为进一步的电法资料定量解释打下基础。

（5）定量解释手段：根据已知地质条件地段或在钻孔附近应用多种解释手段来进行资料解译的对比分析，从而确定最终物探解译手段，进而推广至全区的物探解译。

（6）根据电性标志的异常变化（没有进行开采活动的含煤岩系地层的视极化率在11%以上，而煤矿采空后的含煤岩系地层的视极化率在10%以下），确定煤矿采空区的大致范围。

3.2 部分物探剖面成果与地质解译推测

物探成果及解译图详见附图。

根据激发极化电测深物探成果，结合地质调查、井下测量、前期工程地质勘察资料，将物探测线反映的地质剖面解释如下：

1――1?剖面

图2.0 1-1剖面视电阻率图 剖面视极化率图

4――4?剖面：

图2.1 4-4剖面视电阻率图 剖面视极化率图

结语及建议

本次物探工作，共计完成了115个点，7条测线。根据激发极化的电测深物探成果，同时结合地质调查、井下测量、前期工程地质勘察资料，推测采空区的分布范围大致从山坡延伸到水库大坝的左侧坝肩小路处，具体推测范围见附图所标示的物探推测采空区范围。

1、结论：

大量工程实测结果表明，采空塌陷时地表下沉量的大小取决于开采厚度、采煤方法、顶板管理方法、开采深度、开采面积、煤层倾角及上覆岩性。

（1）胡家山水库枢纽区地下存在煤矿采空区，其具体分布范围所标示的物探推测采空区及煤矿业主提供的采空区。

（2）煤矿采空区距离新设计的水库大坝位置尚有一定的距离，基本上对水库大坝及库岸的安全不构成威胁。但水库枢纽区工程的泄洪洞、输水洞都经过了煤矿采空区上方，煤矿采空区势必影响这一部分的施工及营运安全。因此，在设计、施工、营运过程中应根据相关规范加以处治。