綜合物探方法在太原市蒙山采空區探測中的應用

  物探方法在查明地下采空區方面已成為人們公認的有效探測技術(shù)手段，但利用物探方法查明太原市蒙山采空區的地下分布，除必須具有一定的勘探深度外，還受到該區地形起伏較大、測線(xiàn)不能完全按直線(xiàn)布置等因素的制約。針對這種特殊的場(chǎng)地條件，在充分考慮現有各種物探方法的特性及應用條件的基礎上，提出了陣列形式觀(guān)測的高密度電阻率法和單點(diǎn)測量方式的瞬變電磁法相結合的綜合物探方法。

 

  1 工區地質(zhì)及地球物理特征

 

  測區屬太原西山，地形起伏較大，僅有一條狹窄的S 型溝谷近南北向從測區中部穿過(guò)，兩側為懸崖陡壁( 圖1) 。出露地層由老到新依次為: 二疊系下統下石盒子組、上統上石盒子組，第四系全新統主要為坡積風(fēng)積物。區內所出露地層形跡表明為一單斜構造，地層多呈舒緩波狀單斜產(chǎn)出，總體傾向為東南。

 

  本區主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。石炭系上統太原組( C3 t) 巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、石灰巖及煤層，含煤共有10 層，其中8 號煤層為較厚煤層之一，也是本區主要采空區分布層。

 

  當地下煤層未被采動(dòng)時(shí)，其地層一般呈現成層性和完整性，在小區域內同一地層的電性差異不會(huì )太大。通常情況下，石灰巖、煤層電阻率較高，其次為砂巖、泥巖，有充水巖溶裂隙的巖層電阻率較低。

 

  煤層被采空后，煤層上下巖層間形成一定的空隙，破壞了巖石的完整性和連續性，與此同時(shí)由于地應力的失衡將產(chǎn)生一定程度的冒落和裂隙。若采空區未被充水，其電阻率明顯高于周邊完整巖石的電阻率，表現出局部高阻異常特性，當采空區的空隙被水充填時(shí)，其電阻率則呈低阻異常反映。此外，灰巖層和未開(kāi)采煤層沿地層方向電阻率較均勻且分布范圍一般很大，而采空區所對應分布范圍相對較小，呈局部電阻率異常分布特征。這種地電異常特性為電法勘探圈定地下采空區分布提供了依據。

 

  據前人工作成果和本次野外測試結論，工作區主要巖性、介質(zhì)的電阻率( 單位: Ω·m) 為: 空氣—∞，灰巖— ＞ 300，煤層—25 ～ 50，砂巖—17 ～ 35，泥質(zhì)頁(yè)巖—7 ～ 24，地下水— ＜ 10。

 

  從上述各類(lèi)巖性、介質(zhì)的電阻率特征可見(jiàn)，無(wú)論區內采空區是否充水，均與其周?chē)橘|(zhì)存在明顯的電阻率差異，這為本區開(kāi)展電阻率法提供了必要的物質(zhì)基礎。

 

  根據已有水文鉆孔資料，本區石炭系上統太原群8 號煤層埋深22 ～ 26 m，潛水面位于地下40 m以下，從而表明本區8 號煤層采空區位于潛水面之上，呈非積水或半積滯水下的高阻性，與其圍巖存在著(zhù)明顯的電阻率差異，即探測目標體為高阻無(wú)充水采空區，加之探測目標體埋深較淺，并具有一定分布規模，應易被發(fā)現，從而為開(kāi)展高密度電阻率法和瞬變電磁法提供了良好的地球物理條件。

 

  2 探測技術(shù)

 

  依據采空區的分布特征和埋深( ＜ 50 m) ，本次高密度電阻率剖面法使用DUK-2 高密度電法測量系統，采用極距5 m，最小隔離系數為1，最大隔離系數為15，供電時(shí)間2 s，供電電壓180 V，供電電流≥2 A，正反向供電測量方式; 選用溫納和偶極兩種裝置觀(guān)測，以便更好地發(fā)揮高密度電阻率法勘探精度高的優(yōu)勢。

 

  瞬變電磁測深工作采用WTEM-1Q 瞬變電磁勘探系統，采用矩形中心回線(xiàn)裝置。其中: 2 m × 2 m發(fā)射線(xiàn)框為10 ～ 20 匝，1m × 1 m 接收線(xiàn)框為20 匝矩形，阻尼電阻500 Ω·m; 供電電流5 ～ 7 A，控制延時(shí)0． 2 μs，采樣間隔16 μs，關(guān)斷時(shí)間12 ～ 35 μs，前放增益8 倍，主放增益8 倍，疊加30 ～ 60 次，發(fā)射頻率為8 Hz，共分28 個(gè)采樣道。

 

  3 資料處理

 

  對高密度電阻率法所得的數據，首先進(jìn)行數據編輯，剔除突變點(diǎn)，然后依次進(jìn)行曲線(xiàn)圓滑、地形數據編輯、視電阻率斷面色譜圖繪制，對處理后帶地形數據的視電阻率數據，利用電阻率層析成像系統CRT 軟件或MapGIS 軟件進(jìn)行視電阻率斷面色譜成圖，并采用瑞典RES2DINV 高密度電法軟件進(jìn)行了二維反演計算，選擇了具有強制平滑( smoothnessconstrained)的最小二乘法反演。

 

  瞬變電磁測深數據使用吉林大學(xué)的GeoElectro電法數據處理系統進(jìn)行處理，進(jìn)行數據截斷與光滑，消除IP 效應、局部噪聲和其他干擾因素的影響; 地形數據編輯，并利用強制平滑的最小二乘法反演技術(shù)進(jìn)行反演計算，獲取地電斷面反演結果。

 

  4 反演成果的綜合解釋

 

  根據地質(zhì)和物性資料可知，本區采空區為8 號煤層，因位于潛水面以上具有局部高阻特征，埋深一般在20 ～ 30 m 之內。

 

  綜合解釋原則如下:

 

  ( 1) 鑒于采空區一般具有走向性，因此其高阻異常特征在相鄰剖面間應具有可比性。

 

  ( 2) 同一剖面上兩種方法反演地質(zhì)解釋要相互印證，二者局部高阻異常重合是判斷采空區存在的依據。此外，鑒于二維陣列形式觀(guān)測的高密度電阻率法異常受剖面折線(xiàn)展布的影響較大，而點(diǎn)測方式的瞬變電磁法異常不受或很少受剖面折線(xiàn)展布的影響等因素，故進(jìn)行反演地質(zhì)解釋中采取以瞬變電磁反演成果為主，高密度反演成果佐證的采空區分布解釋的推斷原則。

 

  現以Ⅱ號剖面為例，對其反演成果進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。Ⅱ號剖面沿山谷土路西側布置，剖面長(cháng)度295 m。

 

  圖2 顯示，Ⅱ剖面的左側呈高阻背景區，右側為低阻背景區，反映了地下巖性的不同分布，結合地質(zhì)調查成果，初步推斷分別是泥質(zhì)灰巖和砂質(zhì)頁(yè)巖的反映。在剖面上30 ～ 50 m 之間存在一個(gè)明顯的高阻異常帶; 此外，在剖面上的120 ～ 250 m 間與上述相近供電極距上也同樣分布局部高阻異常帶，初步推斷為地下采空區。

 

  由圖3 可見(jiàn)，Ⅱ剖面上200 μs ～ 3． 2 ms 時(shí)間道，在20 ～ 40 m、75 ～ 100 m、150 ～ 200 m 和225 ～255 m 間呈現為低壓異常反映，初步推斷屬地下采空區異常反應，是與高密度電阻率法所發(fā)現的采空區異常區基本一致的。

 

  圖4、圖5 顯示了瞬變電磁法和高密度電阻率法的反演電阻率異常特征。在瞬變電磁法剖面970～ 980 m 高程范圍內，沿剖面35 ～ 95 m、120 ～ 180 m和215 ～ 245 m 位置上分布有等值線(xiàn)封閉的高阻異常帶，對應的高密度反演電阻率值均在300 Ω·m以上，兩種物探方法的異常對應明顯，吻合度較高，得到了相互印證。由于高密度電阻率法測線(xiàn)受地形的限制按折線(xiàn)布置，在測線(xiàn)的轉折位置，實(shí)際供電極距和測量極距出現了不同程度的減小，使得測量的真實(shí)電位減小，從而導致轉折位置的電阻率值偏小，因此在圖4 中轉折位置呈現出不連續的垂向“低阻帶”。根據已知地質(zhì)和物性資料，初步推斷出沿剖面分布的3 處高阻異常帶為采空區( 圖5) ，進(jìn)而利用各剖面的探測成果圈定出測區內的采空區分布范圍。后期鉆探驗證了推斷結果的正確性，表明上述物探方法的組合是行之有效的。

 

  5 結語(yǔ)

 

  在本次山區采空區勘探中，針對受地形起伏、變線(xiàn)測量等因素制約，選用高密度電阻率法和瞬變電磁法相結合的綜合物探方法查明了太原市蒙山地下采空區。充分發(fā)揮高密度電阻率法信息量大、橫向分辨率高等優(yōu)勢，達到了彌補瞬變電磁法的淺部探測肓區的作用。瞬變電磁法采用單點(diǎn)測量、一維反演方式，具有探測深度大等特點(diǎn)，又能彌補高密度電阻率法易受剖面折線(xiàn)展布及地形起伏影響的弱點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現了兩種方法的優(yōu)勢互補，相互印證，有效地提高了物探勘探成果的可靠性。高密度電阻率法的反演結果在測線(xiàn)轉折位置呈現出電阻率不同程度降低，主要是由于轉折位置處供電極距和測量極距不同程度地變小，造成測量電位的減小，從而導致異常值變低。因此，在成果解釋過(guò)程中建議采取以瞬變電磁法反演成果為主，高密度電阻率法反演成果佐證的綜合解釋模式，實(shí)踐表明該模式具有較好的探測效果，可供同類(lèi)勘探工作借鑒。

 

  針對實(shí)際工作中常常遇到測線(xiàn)稍有彎折的問(wèn)題，今后可研究非嚴格直線(xiàn)陣列高密度電阻率法。

 

  根據電極實(shí)際點(diǎn)位，具體計算每個(gè)記錄點(diǎn)相應裝置、極距的裝置系數，精確計算其視電阻率，繪制實(shí)測視電阻率擬斷面圖，進(jìn)而研究相應的二維反演方法。