高密度电法在穿透石方层探测小煤窑积水巷道中的应用_侯彦威.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 高密度电法在穿透石方层探测小煤窑积水 巷道中的应用 侯彦威 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安710077） 摘要 高速公路下埋深较浅的隐伏小煤窑巷道是路基的安全隐患， 原生地层时比较容易探测， 但对石料填筑的石方路基下小煤窑巷道的探测比较困难。针对此种情况采用高密度电法在 G65 高速公路铜川段局部进行探测， 小极距且打浅钻孔、 灌盐水泥浆的方式布置电极进行数据采集， 在数据预处理阶段采用加权平均插值法消除不均一石方层对数据的影响， 然后再进行带圆滑限 定条件的最小二乘法反演， 从而获得已知小煤窑积水巷道的异常特征。根据此方法对探测区段 内所有数据进行处理， 共发现异常区 3 处， 并且均得到了钻探验证。 关键词 高密度电法； 高速公路； 煤矿； 巷道； 探测； 反演 中图分类号 P631．3文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0080-04 High-density Resistivity for Detecting Water Filled Tunnel in Small Coal Mines Through Stone Subgrade HOU Yanwei （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract The hidden roadway of small coal kiln with shallow buried depth under expressway is a hidden danger of roadbed safety． It is easy to detect the original stratum, but it is difficult to detect the roadway of small coal kiln under the stone roadbed filled with stone． In view of this situation, high-density resistivity is used to detect the local area of Tongchuan section of G65 expressway． Electrodes are arranged in the way of small polar distance, shallow drilling and grouting cement slurry for data acquisition． Weighted average interpolation is used to eliminate the influence of inhomogeneous stone layers on data in the data pretreatment stage, and then least square inversion with smooth restriction conditions is carried out to obtain the known data of abnormal characteristics of water -accumulated roadway in small coal kiln． According to this , all the data in the exploration section are processed, and three abnormal areas are found, which have been verified by drilling． Key words high-density resistivity ; expressway; coal mines; tunnel; detection; inversion 高密度电法是电法勘探的重要分支，其原理与 常规直流电法相同，已被广泛应用于工程地质、 水 文地质、 环境地质、 矿产地质和地质灾害等勘探工 程中[1-2]。高密度电法在探测深度要求较浅的基建工 程地质方面已有许多成功的实例，如在高速公路路 基的探测中 王喜迁等在 2011 年， 罗鑫等在 2017 年 探测高速公路下岩溶[3-4]； 唐咸远在 2013 年探测高 速公路下伏浅层小煤窑采空区[5]； 周祥文在 2016 年 探测高速公路下断层[6]。但这些都是在高速公路规 划后开工前进行的探测，地表未被破坏且利于高密 度电法数据采集。 高密度电法易受浅部不均匀体影响，使测深曲 线产生失真现象；严重的会使视电阻率拟断面图上 出现类似 “挂面条” 和 “串珠” 等假象[7-8]。浅部不均匀 体影响数据处理分析， 如在石料 （不均匀体） 填筑的 石方路基上施工即是一大难点。为克服该难点， 需 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．018 侯彦威．高密度电法在穿透石方层探测小煤窑积水巷道中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 80-83,88． HOU Yanwei． High －density Resistivity for Detecting Water Filled Tunnel in Small Coal Mines Through Stone Subgrade ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 80-83,88．移动扫码阅读 80 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 在施工阶段和数据处理阶段分别采取措施，尽可能 的削弱或消除不均匀体的影响， 提高探测质量。 1探测区概况 在 G65 高速公路铜川段建设阶段， 揭露小煤窑 巷道 1 处， 揭露巷道口未积水， 在路基面宽度范围内 巷道深部有积水， 积水段距离路基面埋深约 11 m。 根据以往小煤窑生产规律推测本区段内应还有 未揭露的小煤窑巷道，经走访调查证实了此推测， 但是因历史原因致使窑口具体位置无从考证，在路 基下的埋深范围亦未知，因此需要采用有效的探测 方法进行探查。又因路面已采取破碎的石料填充压 实， 形成了厚约 40 cm 的石方路基， 导致浅层界面杂 乱无章， 对地质雷达、 瑞利波等探测方法影响较大； 施工场地内固定和流动的大型作业设备较多，散落 的铁器随处可见，对瞬变电磁法探测数据影响严重 且无法避免。因巷道埋藏深度浅， 且内存在积水， 与 围岩形成较明显的电性差异，故可选用传导类高密 度电法，但其面临浅部不均匀体影响，需分别在施 工阶段和数据处理阶段采用有针对性的施工和处理 技术。 2石方路基影响及施工技术 2.1石方路基影响机理分析 石方路基即高密度电法探测中的浅部不均匀 体， 对数据的影响特征多为 “挂面条” 形式， 其产生 机理可由视电阻率分析阐述 ρs＝ jMN j0 ρMN（1） 式中 ρs为视电阻率， Ω m； jMN为测量电极 MN 处的电流密度，A m2； ρMN为测量电极 MN 处的电阻 率； j0为地表水平、 地下为半无限均匀介质条件下的 电流密度[9]。 在均匀地层中放入导电性不均匀体，其地下电 流场的分布将受不均匀体的影响而发生形变，即电 流在地下经过高、 低阻体时， 其总值不变， 地中电流 决不会在球体处突然消失或无中生有。如果在某一 区域内，电流密度相对正常情况下有所增加，则在 其相邻区域内电流密度必相应减小，所以地下电流 线必有相应地减少。结合式 （1） ， 当电流线经高阻时 引起地表测量电极 MN 之间的电流密度增加，从而 视电阻率呈高阻反映，反则呈低阻反映，此即是地 表不均匀体引起视电阻率 “挂面条” 式畸变的特征。 2.2施工技术 施工场地相应情况及施工布置如图 1。 为完成探测所采取的具体施工技术如下 1） 在可疑区段布置长 150 m 的高密度测线 1 条， 测点间距 2 m， 测线跨揭露巷道积水段。 2） 精准测量放样， 采用钻机在放样测点处打约 50 cm 钻孔， 穿透石方路基。 3） 采用饱和盐水混合黄泥制成泥浆， 逐渐灌入 钻孔内， 将电极塞入灌满黄泥的孔内， 降低了电极的 接地电阻， 接地电阻均匀且小于 3 kΩ。 4） 选用施工效率高的三极 AMN、 MNB 联合测深 装置， 无穷远直线距离大于最大极距 （40 m ） 的 5倍。 3数据处理技术 3.1加权平均插值法 插值法就是从有限个已知点数值近似计算未知 点数值的计算方法, 可以根据已知数值点的函数值 及对未知点的函数值构成的影响程度或远近距离， 赋以权重， 求取未知点或畸变点应有的数值， 即加权 平均插值。 在对高密度电法数据预处理中，利用相邻插值 节点的视电阻率值来加权计算未知点的视电阻率 值。工程中多是等距离布置电极，其测量数据点也 是等间距分布于测量空间中。在对于由单个电极所 造成的影响进行处理时，斜向突变采用一元两点插 值公式计算，竖直方向上的突变则选用一元三点式 计算， 设在 xk和 xk12 点间作插值， 插值点是 x， 则一 元两点插值计算公式为 yx n1 in Σyi n1 jn Π x-xj xi-xj （）（2） 式中 由于|xk-x|≡|x-xk1|， 故 nk。 图 1施工区段情况与测线布置示意图 Fig.1The surface condition and detecting line layout of the construction section j≠1 81 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 根据同一测量断面相邻剖面间的相关性，亦可 加入相邻剖面间的点进行加权。 一元三点插值计算公式为 yx＝ n2 in Σyi n2 jn Π x-xj xi-xj （）（3） 当测量电极 MN 间距为 1 个电极距时，则接触 不好的电极处两相邻竖直方向的数据发生突变， 此 时|xk-x| ＞|x-xk1|时， nk-1； |xk-x|≤|x-xk1|时， nk； 当测量电极 MN 间距为 2 个电极距时，则接触不好 的电极处两相间竖直方向的数据发生突变，此时另 nk-1 即可完成插值。对于多点插值可以通过改变 项数完成[10]。 3．2反演方法 带圆滑限定条件的最小二乘法反演方程式 （JTJuF） d＝JTg（4） 式中 F＝fxfxTfzfzT， fx为水平圆滑滤波系数矩 阵； fz为垂向圆滑滤波系数矩阵； J 为偏导数矩阵； u 为阻尼因子； d 为模型小变异矢量； g 为误差矢量。 该反演方法首次迭代，需自动建立 1 个相应的 地下均匀介质模型，在后续的迭代过程中，程序使 用拟牛顿法对每次迭代中的偏导数矩阵进行修改， 避免直接计算偏导数矩阵带来的运算量和时间的增 加，从而实现对模型计算时间和存储空间的减少； 使用拟牛顿法矩阵校正技术对最小二乘方程组进行 求解，计算时间亦得到了大大缩减，从而使反演过 程趋于简便， 实现快速高效反演。 采用上述反演方法对高密度电法数据进行反 演，其优点是阻尼因子和圆滑滤波不仅适用于不同 类型的数据，它对模型重建效果也较好，具有普遍 的适应性。在视电阻率拟断面图中，主要异常沿垂 向延伸时，宜选择较高的垂向圆滑滤波值，主要异 常沿水平方向延伸时，宜选择较高的水平向圆滑滤 波值， 以此来优化反演参数。 4石方路基影响特征及处理效果对比 4．1石方路基影响特征 为确定石方路基的影响特征，施工过程中首先 将电极直接置于石方路基层内，浇灌饱和盐水， 测 量接地电阻，不断处理电极接地，尽量使其接地电 阻接近。处理期间发现为多个电极浇灌的饱和盐水 漏失较快，是石方路基间裂缝漏水导致。在此情况 下采集的数据生成的视电阻率断面如图 2（对测线 小号点局部试验采集数据） ，图中数字为视电阻率 值， 橙色填充高阻区域， 蓝色、 绿色填充低阻区域， 其余颜色填充高低阻过渡区域（文中下面各断面图 与此同 ） 。 由图 2 可见， 断面中出现了多处高阻或低阻 等值线上下延伸的趋势， 完全无横向变化规律可循， 此即严重的“挂面条”现象，打破了断面应有的规 律， 数据质量较低， 无法直接用于进一步反演技术。 4．2处理效果对比 视电阻率断面图如图 3。 经采用 2．2 节施工技术手段处理，各电极接地 电阻均控制在 3 kΩ 以内， 重新进行数据采集， 发现 有效削弱了 “挂面条” 现象， 随即对整条测线进行了 数据采集， 绘制视电阻率断面如图 3 （a） 。采用加权 平均插值法对图 3 （a） 数据进行预处理， 结果如图 3 （b） 。基本消除了石方路基引起的 “挂面条” 畸变， 数 据稳定、 等值线连续性好且分布均匀， 为进一步反演 计算奠定了基础。 5反演结果与钻探验证 对图 3 （b） 的数据采用圆滑限定条件的最小二 乘法反演方法进行反演计算。反演过程中选择水平 圆滑滤波值占优， 即垂直水平圆滑滤波比较小， 本次 反演选 0．3； 将模型深度放大， 以突出浅部目标层中 信息，模型深度增加系数选 1．5；当迭代大于 13 次 时， 均方根误差稳定在 2．99， 反演电阻率断面图及 钻孔布置示意图如图 4。反演深度 20 m。图 4 中共 发现 4 处低阻异常区， 依次命名为异常 1、 异常 2、 异 常 3 和异常 4，其中异常 1 与已知积水巷道空间位 置吻合，据此确定积水巷道的异常阈值为 50 Ω m （青色所示） 。4 处异常中只有异常 3 埋深在-15 m 以下， 其余 3 处均在-15 m 以上。对探测的异常 2、 异常 3 和异常 4 分别布置钻孔 1、钻孔 2 和钻孔 4 进行验证，并在反演电阻率值偏小但大于异常阈值 j≠1 图 2石方路基影响特征 Fig．2Characteristics of influence of stone roadbed on data 82 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 图 3视电阻率断面图 Fig.3Apparent resistivity profile 的 （黄色填充区域） 非异常位置布置 1 处钻孔 3 进行 反向验证， 钻孔验证结果统计表见表 1。 钻探结果与 断面图成果吻合。 6结语 当地表的原生状态被破坏，其他探测方法无法 实施时，可选择能够通过采取关键施工措施克服不 利因素影响， 且能达到探测目的的高密度电法， 但需 在数据处理阶段根据数据特征，寻找有针对性的处 理方法以消除畸变数据的影响， 使数据体趋于均匀， 利于进一步反演计算。在反演阶段可以尝试不同的 反演方法， 或根据实际情况加入条件限定 （如圆滑限 定） ，合理设置反演参数，突出目标层中的反演信 息，会取得较好的反演结果。在高速公路建设阶段 探测小煤矿的积水老巷道，不但涵盖了基建工程领 域的安全探测，而且可对煤矿开采期间小煤矿遗留 老巷道探测方法的选择起借鉴作用。 参考文献 ［1］ 殷国强， 翟培合， 宋林君， 等．伪三维高密度电法矿井 图 4反演电阻率断面图及钻孔布置示意图 Fig.4Inversion resistivity profile and borehole layout 表 1钻孔验证结果统计表 Table 1Statistical table of borehole verification results 钻孔编号孔 1孔 2孔 3孔 4 钻探 结果 11 m 见积水 13 m 见水 约 17 m 水量大 3 m 砂岩、 5 m 泥岩 7 m 砂岩、 10 m 砂岩 12 m 见积水 对应异常 吻合程度 推断结果 异常 2 吻合 巷道积水 异常 3 吻合 裂隙水 无异常 吻合 巷道积水 异常 4 吻合 巷道积水 （下转第 88 页） 83 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 探水技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1） 100－103． ［2］ 李生生， 高晓耕， 周禹良， 等．综合物探技术在采空区 勘探中的应用 ［J］ 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