高密度电法在工程勘察中的应用

高密度电法在工程勘察中的应用

潘文龙

山西阳煤集团碾沟煤业有限公司山西阳泉

【摘要】高密度电法属于工程勘察中比较常用的一种物探方法，其具有工作效率高、自动化程度高、异常现象直观等特点，因此在煤矿工程开采过程中得到了广泛的应用。借助高密度电法可以对煤矿井下的采空区、断层、含水层等有个直观的了解和掌握，从而为煤矿工程后续的开采工作提供一定的借鉴和参考，有效的降低了不必要的灾害，提高了煤矿工程的开采效率。

【关键词】高密度电法；煤矿工程勘察；应用

高密度电法在煤矿开采阶段得到了广泛的应用，其能够获取更加丰富、全面的地质信息，可以准确的对地下介质的地电情况进行反映，从而更好的提高了煤矿工程勘察的效果和质量。在煤矿生产过程中，地下空洞（裂隙、空隙等）、采空区、断层、含水层等，这些都会对煤矿工程的正常开采产生或多或少的影响，借助高密度电法能够对上述现象进行准确的探测，从而为煤矿的正常、安全开采提供保障。

1.高密度电法概述

1.1高密度电法含义

实际上，高密度电法隶属于电阻率法的范畴，其一般是在常规电法勘探的基础上进行不断的改进和创新而发展起来的一项新技术手段。高密度电法是根据岩土体的电性差异来进行判别的，通过对地下岩体施加电场，来发现地下传导电流的分布和变化规律。实际上，高密度电法是借助微机来对测量电极和供电电极进行有效的选择和控制，这样不仅可以有效的提高设备的数据采集效率，而且还能提高测量的准确性。

高密度电法是阵列勘探方法，在进行野外测量的过程中，一般需要把几十至上百根电极按照一定的方式置于测点上，借助微机工程电测仪和程控电极转换开关就能够实现对数据的快速采集。然后把测量的结果传送至微机上对数据进行针对性的处理，从而获取地电断面分布的解释结果。同时，电阻率剖面图是高密度电法测量中比较常用的表示方法，其一般采用拟断面彩色图、等值线图或灰度图来对相关数据进行有效的采集，其能够直观的反映地电断面任何一个测点的电阻率变化情况，因此在煤矿工程勘察中得到了广泛的应用。

1.2高密度电法的特点

与常规电阻率法勘探相比，高密度电法具有如下几个方面的特点：（1）电极布设通常需要一次性完成，这样一来不仅可以有效的降低由于电极设置而对测量结果的影响，而且还能够实现野外数据的快速自动测量；（2）能够实现多种电极排列方式的扫描测量，可以全方位的获取地电断面结构特征信息；（3）能够完成对相关数据资料的预处理，并直观的呈现出剖面曲线形态，而且脱机处理后能够完成各种成果图件的自动绘制和打印；（4）野外数据能够进行自动化或半自动化采集，通常一个测点只需要大概2-5秒钟就能够完成，而且能够有效的避免由于人为原因产生的误差；（5）效率高、成本低、信息丰富、解释方便，有效的提高了煤矿工程的勘察效果。

2.高密度电法在煤矿工程勘探中的应用现状

2.1供电时间、极化补偿问题

在对煤矿工程进行电法勘探的过程中，电极的极化电位一般包括了以下几方面：（1）当把金属电极插入地面之后，会导致土壤与金属电极表面之间出现一定程度的接触电位；（2）地面本身具有自然电位；（3）当有一定电流通过时，在土壤内部、电极与土壤之间会出现离子迁移现象，一旦断电后则会引起离子的继续扩散，从而产生了一系列的电位。同时，这些电位一般会随着时间和温度的变化而变化，并且其变化的大小范围一般在毫伏(mV)级以上，此时对于分辨率比较高的仪器反而无法发挥更好的效果。

在激化极化法中，待测的有用信号属于第三种电位，其一般属于干扰信号。而第一和第二种电位具有稳定性的特点，并且离子迁移过程中所产生的电位与供电时间、电场强度成一定的比例。通常情况下，高密度电法具有非常快的数据采集速度，并且一般在供电电极完成供电之后，就会立刻转换成测量电极。但是由于转换的时间非常短暂，而此时的极化电位下降速度比较慢，从而对测量结果产生较大的影响，诱发d s值畸变。

2.2方法选取存在非适宜性

在煤炭工程中高密度电法得到了广泛的应用，但是由于受到地形起伏、场地范围的限制，一般要求高密度电法选择MNB和AMN的三极装置，就好比常规电法的三极装置一样。但是这样的方法在电性界面附近会由于d s电流密度的非线性改变，而导致MN极的电位差出现一定幅度的阶跃，致使d s出现规律性畸变，影响测量结果的准确性。实际上，在电性界面两侧会出现比较明显的阶跃状改变，具有比较强的值畸变程度，但是超出地质范围的各极距，一般不会出现比较明显的d s畸变现象。对于三极装置，一般可以根据联合剖面的方法对其进行测量，但是其需要把最终的测得结果按照对称四极装置进行处理。

2.3其它电性干扰

在进行高密度电法测量过程中，周围的高压输电线及埋设的各种电缆、线缆等都会对其测量结果的准确性产生影响，一般以电磁感应的方式来对测量结果进行干扰。其中d s畸变的主要特征表现为：d s畸变值一般会根据干扰源所具有的频率特征来进行周期性的改变，并且d s畸变量往往与测线至干扰源之间的距离r的平方成反比例关系。实际上，大量的实测数据都会受到不同干扰因素的影响，所以在对相关数据进行处理的过程中，需要采用五点或七点等圆滑方法来对其进行反演、成像处理。

3.煤矿工程勘察实例

3.1测区概况

该矿区基本呈现为北西倾斜的单斜构造，其倾角在1°左右，产状较平缓，并且在开采范围内未发现大的褶曲及断裂构造。通过该区的地面观测和钻孔揭露资料，地层上到下依次为第四系（Q4）、第三系（N2）侏罗系中统延安组（J2y）及三叠系上统永坪组（T3y）。

矿区主要开采的煤层为侏罗纪延安组，共有3-1、4-2、4-3、5-24层可采煤层。但是由于各种条件的限制只对3-1号煤层进行了开采，煤层埋藏深度在0-125m。而3-1号煤层的开采厚度在2.67～3.16m，平均2.69m。3-1号煤层具有结构简单、规律明显、煤层厚度变化不大、不含夹矸等特点，属于稳定型煤层。

3.2资料整理及解释

3.2.1资料整理

将高密度电法测量过程中所得到的数据传输至计算机后，借助BTRC程序将相关数据转化为可供SURFER程序和Res2dinv程序识别的数据格式。对于数据资料的解释选择了RES2DINV程序来对其进行反演计算，然后将计算所得到的结果进行综合、系统的分析和对比，将其中由于电极周围的局部不均匀体或地形产生的感染剔除掉，以达到去伪存真的效果。最后根据采空区岩石电性特征来选择与之相对应的等值线色彩和间隔，从而生成地质解释剖面示意图。如图1所示，该剖面图的横轴为点号（单位米），纵轴为地面向下埋深，色标为反演模型的视电阻率值大小（单位Ω·M）。