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摘要：对高密度电法的基本原理及特点进行了分析，并结合山西某煤矿的环境整治工程，论述了高密度电法的一般工作过程及注意要点，包括其测线布置、电极排列、测量装置选择，以及数据处理与输出等等。并总结了高密度电法在工程勘探中的优点和劣势。
关键词：高密度电法;工程勘探;煤矿环境整治
Application of High Density Electrical Method in Engineering Investigation
SHENG Xiao-long
（Jiangxi Survey and Design Institute，No.169 Ziyang Avenue，Changdong University Campus，High-tech Development Zone，Nanchang City，Jiangxi Province;330200）
Abstract：The basic principle and characteristics of high-density electric method are analyzed. Combined with the environmental remediation project of a coal mine in Shanxi，the general working process and points of attention of high-density electric method are discussed，including its line layout，electrode arrangement and measuring device selection.，as well as data processing and output，and more. And summarize the advantages and disadvantages of high-density electrical method in engineering exploration.
Key words：high-density electrical method;engineering exploration;coal mine environmental remediation
引言
我国目前的能源结构还是以煤炭为主，存在着许多煤矿采矿区，由于对于煤矿这类自然资源的开采。往往会破坏当地的地形地貌，破环地质结构，形成新的地质问题。开采沉陷引发的地面塌陷、地裂缝等问题突出，是造成区内地质环境恶化的最主要因素。在这些煤矿开采地区进行地质调查时进行地质环境整治和灾害预防工作的前提。综合物探技术是获得现场地质资料的重要技术手段。
工程中物探的方法有很多中，根据其运用的物理场分类主要有：弹性波探测法及电（磁）法探测法等等。并且以这两种方法为基础，还发展出许多相关的探测方法和手段[1]。
目前，在煤矿采空区进行物探勘察的方法主要为钻探和物探结合的方法。常用的物探方法有：地质雷达法、瞬变电磁法、浅层二维（三维）地震法、高密度电法、大地电磁法和测氡法等等。各种探测方法各有其适用条件及特点，在实际运用中也能得到相应的地质资料。下面将结合具体工程实例介绍钻探及高密度电法的物探方法[2]。
1 工程概况
根据勘察报告及现场调研结果，矿井水处理站场地存在煤矿采空区，采空厚度约4.3m，煤层顶板距地面20m左右，采深采厚比为3.37，小于30在综合处理间及中间水池附近已发现数条裂缝，明显可见的裂缝有2条，大体为南北方向，裂缝长度约为4m，宽7～15cm左右。因此，需对采空区进行治理。
矿井水处理站北侧存在一处崩塌危岩体，近东西走向，岩层高陡直立。崩塌危岩体横宽约150m、纵高约20～40m、厚度约5～15m、体积约1.2×104m3，崩塌方向31°，属中型岩质崩塌。
矿区筒仓南侧及北侧边坡堆积大面积坡体松散物并裸露于地表，遇到暴雨或者连阴雨，坡面沟壑纵横交错，残坡积土顺坡面流入厂区。因此，需对筒仓南北侧边坡进行治理。
2 高密度电法
2.1 工作原理
高密度电法实际上是一种电阻率法，它通过仪器观测围岩及矿物之间的电阻率差异，并且通过相关软件分析和研究这些电阻率差异在空间上的变化规律及分布特点，从而找出地下存在的不均匀电性体（如滑坡体、风化层、岩溶等）并且得出工程的地质构造情况[3]。
高密度电法是在电测剖面法和垂向直流电测深法的基础上研制出的。高密度电法在同一条多芯电缆上具有多个连结的电极，通过测量系统中的软件，能够自动组成多个不同深度或多个垂向测深电的探测剖面。在选定探测装置类型之后，系统就能按照探测剖面的深度顺序或者测深电的位置顺序，进行逐点或逐層探测[4]。在采集到测点数据后，先利用数据转换和地形矫正等预处理手段后绘制等值断面图，再通过二维反演并结合工区的地质资料对地质构造情况进行综合推断。
2.2 高密度电法的特点及优势
与高密度电法相比，常规的电剖面法和电测深法，铺设导线后只对一个记录点进行数据观测。如果在工程实践中遇到目标规模较小而且埋深较浅的情况，常规电法显得效率低下[5]。
高密度电法与常规电法相比它提高了数据的采集密度，提高了自动化程度，从而提高工作效率。高密度电法通过程控电极转换装置和微机工程电测仪，来实现对数据的自动化采集和处理。先进电子技术的采用，提高了电法勘探的智能化程度，它具有以下优势： （1）通过内部电极程控程序，实行不同电极排列方式的扫描测量，只要完成一次导线布置，就能获得大量的地质断面构造信息。
（2）数据采集实现自动化或半自动化，减少人工操作带来的错误，提高工作效率。
（3）将数据进行处理后能够显示剖面曲线形态，并能够绘制断面剖面图，更加直观，便于进行综合推断。
3 高密度电法的实际应用
3.1 测线布置
根据相关的勘察报告及现场调研结果，将测线大致沿矿区道路垂直布置，尽量覆盖所需勘察范围，重点针对矿区的煤矿采空区及北侧的危岩崩塌体，从而获得该环境整治区域的地质信息，为工程勘察及施工整治提供依据。具体测线布置如下图2所示：
3.2 电极排列方式
高密度电法最初的电极排列方式只有α，β，γ三种，而发展到现在，已有十几种排列方式，基本都是由对称四级（施伦贝格，Schlumberger）、偶极（dipole-dipole）、三极（pole-dipole）、二极（pole-pole）的排列方式衍变而来（其中γ排列方式无变种）。例如：
当AM = MN = NB 时，Schiumberger 排列就变成α排列;当AB = BM = MN 时，偶极排列就变成β排列;对于三极排列，就有 AMN，MNB，AM = MN 和AM≠MN 等四种[6]。
3.3 探测装置选择
在实际的勘测过程中，我们还要考虑到地下地质体的垂向和横向变化，以及所需的探测深度、信号可靠性等问题，并以此来选择探测探测装置。根据以往工程的数据对比和经验，温纳装置是常用的一种测量装置，它对垂向变化比水平方向变化所反映的灵敏度要高，抗干扰能力强且耗时较少，该装置在探测垂向变化的地质问题（如水平层状结构）上比较有利，而对水平变化的地质问题（如狭窄垂向结构）探测相对较差。因此，我们综合采用温纳—施伦贝格的装置进行测量，它对地质体的垂向及横向均有相当的灵敏度，而且数据覆盖程度好[4]。
3.4 数据处理与反演
在用高密度电法进行勘测的过程中，铺设电极的的接地电阻以及地质噪音等因素会对测量结果造成干扰。为此，要先将原始数据进行数据预处理。其中，数据圆滑、滤波处理和地形矫正是数据预处理常用的方法，但是一般只对温纳四极排列（α和施伦贝格排列）进行处理，因为偶极排列异常和地质电性体之间有较为复杂的对应关系。数据圆滑一般采用剔除干扰点及圆滑平均等等。
数据的处理一般用RES2DINV高密度电法处理软件进行，还能完成自动成图的工作[7]。数据处理的流程如下图所示：
高密度电法的数据反演主要有计算机自动二维和三维反演，其中二维反演程序是基于圆滑约束最小二乘法的计算机反演计算程序，使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘新算法，使得大数据量下的计算
速度较常规最小二乘法快10倍以上。
该算法的优点在于能够使阻尼系数和平面过滤器随着数據类型的不同而调整，反演程序通过使用该二维模型，把所测量的地下空间体分为许多模型子块，然后确定这些子块的电阻率，使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合[6]。
4 结果输出与图示分析
数据经过处理及反演后，需要进行电阻率的图像显示输出，便于进行人工分析，综合推断地质构造信息。高密度电阻率剖面一般采用拟断面等值线图、彩色图或灰度图表示，它表征了地电断面每一测点视电阻率的相对变化，因此在反映地电结构特征方面具有更直观和更形象的特点。数据输出结果如下图所示：
据电法反演成果可见：测线1在平面65m，深度14～16m处存在高阻封闭异常区，疑似无充填空洞;测线2在平面68m，深度约19m处发现高阻异常区;考虑到现场探测条件较差，电极间距及定位精度对探测剖面深度会有一定影响，故剖面中的深度仅供参考。
5 结论
高密度电法对地下地电结构具有高分辨率，是研究浅层地质结构行之有效的方法。随着深部找矿等深部勘探工作的巨大需求，大功率、大探测深度、多参数测量和一机多能是高密度电法仪器今后发展的主要方向。在山区采用高密度电法对采空区进行探测时，应当避免地形变化较大的区域，尽量选择在地形平坦处布置测线;若必须在地形起伏的地段进行高密度电法测试时，建议在满足探测精度的条件下，选用较大的电极距[8]。
高密度电法是浅层采空区探测的有效探测方法，已被广泛运用。但其仍旧存在一些局限，例如表层低阻异常的屏蔽作用、难以准确判定异常的规模和形态等。在探测条件复杂的区域，建议采用多种物探的方式进行综合探测和解释，提高探测的准确性。
参考文献
[1]张建清.工程物探检测方法技术应用及展望[J].地球物理学进展，2016，31（04）：1867-1878.
[2]付天光.综合物探方法探测煤矿采空区及积水区技术研究[J].煤炭科学技术，2014，42（08）：90-94.
[3]蒋富鹏，肖宏跃，刘垒，高阳.高密度电法在工程岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2013，10（03）：389-393.
[4]肖敏，陈昌彦，白朝旭，贾辉，苏兆锋，吴言军.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报，2014，11（01）：29-35.
[5]刘晓东，张虎生，朱伟忠.高密度电法在工程物探中的应用[J].工程勘察，2001（04）：64-66.
[6]董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘，2003（01）：171-176.
[7]梁哲.高密度电法技术在煤矿井下应用的探索性研究[J].煤炭与化工，2016，39（01）：41-43+47.
[8]严加永，孟贵祥，吕庆田，张昆，陈向斌.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探，2012，36（04）：576-584.
（作者单位：江西省勘察设计研究院）
关键词：高密度电法;工程勘探;煤矿环境整治
Application of High Density Electrical Method in Engineering Investigation
SHENG Xiao-long
（Jiangxi Survey and Design Institute，No.169 Ziyang Avenue，Changdong University Campus，High-tech Development Zone，Nanchang City，Jiangxi Province;330200）
Abstract：The basic principle and characteristics of high-density electric method are analyzed. Combined with the environmental remediation project of a coal mine in Shanxi，the general working process and points of attention of high-density electric method are discussed，including its line layout，electrode arrangement and measuring device selection.，as well as data processing and output，and more. And summarize the advantages and disadvantages of high-density electrical method in engineering exploration.
Key words：high-density electrical method;engineering exploration;coal mine environmental remediation
引言
我国目前的能源结构还是以煤炭为主，存在着许多煤矿采矿区，由于对于煤矿这类自然资源的开采。往往会破坏当地的地形地貌，破环地质结构，形成新的地质问题。开采沉陷引发的地面塌陷、地裂缝等问题突出，是造成区内地质环境恶化的最主要因素。在这些煤矿开采地区进行地质调查时进行地质环境整治和灾害预防工作的前提。综合物探技术是获得现场地质资料的重要技术手段。
工程中物探的方法有很多中，根据其运用的物理场分类主要有：弹性波探测法及电（磁）法探测法等等。并且以这两种方法为基础，还发展出许多相关的探测方法和手段[1]。
目前，在煤矿采空区进行物探勘察的方法主要为钻探和物探结合的方法。常用的物探方法有：地质雷达法、瞬变电磁法、浅层二维（三维）地震法、高密度电法、大地电磁法和测氡法等等。各种探测方法各有其适用条件及特点，在实际运用中也能得到相应的地质资料。下面将结合具体工程实例介绍钻探及高密度电法的物探方法[2]。
1 工程概况
根据勘察报告及现场调研结果，矿井水处理站场地存在煤矿采空区，采空厚度约4.3m，煤层顶板距地面20m左右，采深采厚比为3.37，小于30在综合处理间及中间水池附近已发现数条裂缝，明显可见的裂缝有2条，大体为南北方向，裂缝长度约为4m，宽7～15cm左右。因此，需对采空区进行治理。
矿井水处理站北侧存在一处崩塌危岩体，近东西走向，岩层高陡直立。崩塌危岩体横宽约150m、纵高约20～40m、厚度约5～15m、体积约1.2×104m3，崩塌方向31°，属中型岩质崩塌。
矿区筒仓南侧及北侧边坡堆积大面积坡体松散物并裸露于地表，遇到暴雨或者连阴雨，坡面沟壑纵横交错，残坡积土顺坡面流入厂区。因此，需对筒仓南北侧边坡进行治理。
2 高密度电法
2.1 工作原理
高密度电法实际上是一种电阻率法，它通过仪器观测围岩及矿物之间的电阻率差异，并且通过相关软件分析和研究这些电阻率差异在空间上的变化规律及分布特点，从而找出地下存在的不均匀电性体（如滑坡体、风化层、岩溶等）并且得出工程的地质构造情况[3]。
高密度电法是在电测剖面法和垂向直流电测深法的基础上研制出的。高密度电法在同一条多芯电缆上具有多个连结的电极，通过测量系统中的软件，能够自动组成多个不同深度或多个垂向测深电的探测剖面。在选定探测装置类型之后，系统就能按照探测剖面的深度顺序或者测深电的位置顺序，进行逐点或逐層探测[4]。在采集到测点数据后，先利用数据转换和地形矫正等预处理手段后绘制等值断面图，再通过二维反演并结合工区的地质资料对地质构造情况进行综合推断。
2.2 高密度电法的特点及优势
与高密度电法相比，常规的电剖面法和电测深法，铺设导线后只对一个记录点进行数据观测。如果在工程实践中遇到目标规模较小而且埋深较浅的情况，常规电法显得效率低下[5]。
高密度电法与常规电法相比它提高了数据的采集密度，提高了自动化程度，从而提高工作效率。高密度电法通过程控电极转换装置和微机工程电测仪，来实现对数据的自动化采集和处理。先进电子技术的采用，提高了电法勘探的智能化程度，它具有以下优势： （1）通过内部电极程控程序，实行不同电极排列方式的扫描测量，只要完成一次导线布置，就能获得大量的地质断面构造信息。
（2）数据采集实现自动化或半自动化，减少人工操作带来的错误，提高工作效率。
（3）将数据进行处理后能够显示剖面曲线形态，并能够绘制断面剖面图，更加直观，便于进行综合推断。
3 高密度电法的实际应用
3.1 测线布置
根据相关的勘察报告及现场调研结果，将测线大致沿矿区道路垂直布置，尽量覆盖所需勘察范围，重点针对矿区的煤矿采空区及北侧的危岩崩塌体，从而获得该环境整治区域的地质信息，为工程勘察及施工整治提供依据。具体测线布置如下图2所示：
3.2 电极排列方式
高密度电法最初的电极排列方式只有α，β，γ三种，而发展到现在，已有十几种排列方式，基本都是由对称四级（施伦贝格，Schlumberger）、偶极（dipole-dipole）、三极（pole-dipole）、二极（pole-pole）的排列方式衍变而来（其中γ排列方式无变种）。例如：
当AM = MN = NB 时，Schiumberger 排列就变成α排列;当AB = BM = MN 时，偶极排列就变成β排列;对于三极排列，就有 AMN，MNB，AM = MN 和AM≠MN 等四种[6]。
3.3 探测装置选择
在实际的勘测过程中，我们还要考虑到地下地质体的垂向和横向变化，以及所需的探测深度、信号可靠性等问题，并以此来选择探测探测装置。根据以往工程的数据对比和经验，温纳装置是常用的一种测量装置，它对垂向变化比水平方向变化所反映的灵敏度要高，抗干扰能力强且耗时较少，该装置在探测垂向变化的地质问题（如水平层状结构）上比较有利，而对水平变化的地质问题（如狭窄垂向结构）探测相对较差。因此，我们综合采用温纳—施伦贝格的装置进行测量，它对地质体的垂向及横向均有相当的灵敏度，而且数据覆盖程度好[4]。
3.4 数据处理与反演
在用高密度电法进行勘测的过程中，铺设电极的的接地电阻以及地质噪音等因素会对测量结果造成干扰。为此，要先将原始数据进行数据预处理。其中，数据圆滑、滤波处理和地形矫正是数据预处理常用的方法，但是一般只对温纳四极排列（α和施伦贝格排列）进行处理，因为偶极排列异常和地质电性体之间有较为复杂的对应关系。数据圆滑一般采用剔除干扰点及圆滑平均等等。
数据的处理一般用RES2DINV高密度电法处理软件进行，还能完成自动成图的工作[7]。数据处理的流程如下图所示：
高密度电法的数据反演主要有计算机自动二维和三维反演，其中二维反演程序是基于圆滑约束最小二乘法的计算机反演计算程序，使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘新算法，使得大数据量下的计算
速度较常规最小二乘法快10倍以上。
该算法的优点在于能够使阻尼系数和平面过滤器随着数據类型的不同而调整，反演程序通过使用该二维模型，把所测量的地下空间体分为许多模型子块，然后确定这些子块的电阻率，使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合[6]。
4 结果输出与图示分析
数据经过处理及反演后，需要进行电阻率的图像显示输出，便于进行人工分析，综合推断地质构造信息。高密度电阻率剖面一般采用拟断面等值线图、彩色图或灰度图表示，它表征了地电断面每一测点视电阻率的相对变化，因此在反映地电结构特征方面具有更直观和更形象的特点。数据输出结果如下图所示：
据电法反演成果可见：测线1在平面65m，深度14～16m处存在高阻封闭异常区，疑似无充填空洞;测线2在平面68m，深度约19m处发现高阻异常区;考虑到现场探测条件较差，电极间距及定位精度对探测剖面深度会有一定影响，故剖面中的深度仅供参考。
5 结论
高密度电法对地下地电结构具有高分辨率，是研究浅层地质结构行之有效的方法。随着深部找矿等深部勘探工作的巨大需求，大功率、大探测深度、多参数测量和一机多能是高密度电法仪器今后发展的主要方向。在山区采用高密度电法对采空区进行探测时，应当避免地形变化较大的区域，尽量选择在地形平坦处布置测线;若必须在地形起伏的地段进行高密度电法测试时，建议在满足探测精度的条件下，选用较大的电极距[8]。
高密度电法是浅层采空区探测的有效探测方法，已被广泛运用。但其仍旧存在一些局限，例如表层低阻异常的屏蔽作用、难以准确判定异常的规模和形态等。在探测条件复杂的区域，建议采用多种物探的方式进行综合探测和解释，提高探测的准确性。
参考文献
[1]张建清.工程物探检测方法技术应用及展望[J].地球物理学进展，2016，31（04）：1867-1878.
[2]付天光.综合物探方法探测煤矿采空区及积水区技术研究[J].煤炭科学技术，2014，42（08）：90-94.
[3]蒋富鹏，肖宏跃，刘垒，高阳.高密度电法在工程岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2013，10（03）：389-393.
[4]肖敏，陈昌彦，白朝旭，贾辉，苏兆锋，吴言军.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报，2014，11（01）：29-35.
[5]刘晓东，张虎生，朱伟忠.高密度电法在工程物探中的应用[J].工程勘察，2001（04）：64-66.
[6]董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘，2003（01）：171-176.
[7]梁哲.高密度电法技术在煤矿井下应用的探索性研究[J].煤炭与化工，2016，39（01）：41-43+47.
[8]严加永，孟贵祥，吕庆田，张昆，陈向斌.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探，2012，36（04）：576-584.
（作者单位：江西省勘察设计研究院）