第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
龙城镇大青头沟村位于吉林省和龙市以西 4km 处的山地上，由于含煤白垩系长财组（K1c）含煤地层在该区域内埋深较浅、层位较稳定等因素，大青头沟村在历史上经历过多次开采，特别是上世纪 90 年代时期由于个人采煤活动频繁，无序的私采活动对该地区的地质环境造成了严重的破坏。2000 年后，随着政府相关部门监察力度的加大，个人私采煤矿相继关闭，随后由和龙市大青头沟煤矿对浅部煤层进行开采。私自开采和正规开采遗留下来的矿井、巷道及采空区对当地居民的生命财产安全构成了较大威胁。截止到目前，因煤田采空区冒落而引起的地面塌陷已造成多间房屋开裂，农田发生不同程度的毁坏，经济损失较为严重。基于上述原因，本文拟通过开展高密度电法数值模拟工作，通过数值模拟结果分析对比工程实测资料，初步推断勘探区范围内煤田采空区的类型、位置、埋深及中心宽度等相关信息，为后期恢复治理工作提供地球物理依据。
本文基于高密度电法在和龙市大青头沟村煤田采空区勘探中的应用研究，利用基于有限差分法正演的 RES2DMOD 软件和最小二乘法反演的 RES2DINV 软件，参考相关高密度电法的理论原理及已收集到大量勘探区基础地质资料的前提下，构建简单单一采空区模型，研究适用于本次探测工作的最优装置形式；根据勘探区内存在的多个采空区及相关断裂构造的复杂地质情况，构建相应的复杂采空区模型与之匹配，研究高密度电法对多个采空区之间及夹杂断裂构造多个采空区的勘测效果，最终确定在复杂地质情况下对勘探区内煤田采空区勘测工作中使用高密度电法的可行性及有效性。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 煤田采空区的探测方法
国内外对煤田采空区的探测方法主要有重力法、磁法、常规直流电法、电磁法、地震法及放射性测量等多种方法。
重力法是以牛顿万有引力定律为基础，利用地下围岩与煤田采空区的密度差异，借助重力测量设备发现重力异常，从而确定煤田采空区的大致分布范围、规模大小、相关边界等有效信息。
磁法主要是利用围岩与煤田采空区的磁性差异产生的局部磁场变化，形成地磁异常，通过借助磁法测量仪器对地磁场差异做出判断和研究，确定煤田采空区的大致分布范围。
常规直流电法是根据围岩及煤田采空区之间导电性的差别，从而引起电性差异来解释和推断煤田采空区的分布范围、埋深、规模及产状等相关信息。
电磁法主要是通过运用相应的仪器设备采用电磁感应原理对天然或人工激发的电磁场进行探测，利用围岩与煤田采空区导电性和导磁性不同的特性，根据所计算的卡尼亚电阻率差异，达到勘探煤田采空区的目的。主要探测方法包括：可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法、广域电磁法、甚低频电磁法、大地电磁法、电磁排列剖面法及探地雷达法等。
地震法是通过运用人工激发的弹性地震波在不同围岩及煤田采空区内的传播时间和能量衰减规律进行探测。弹性地震波遇到地下不同介质产生不同特性的折射波和反射波，借助测量设备记录的折射波和反射波的变化情况，以此推断煤田采空区的大致分布范围。地震法主要包括：直达波法、折射波法、反射波法及瑞雷波法等。
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第二章 高密度电法的基本理论
2.1 视电阻率概念
由于自然界中地下的地质情况存在非均匀性和复杂性，因此不同岩矿石的分布也同样具有不均匀性。常规电阻率法的勘测主要是以是各种各样的非均匀地电断面研究为主。地下不同介质中的稳定电流场实际上是由场源与电阻率分界面上积累电荷共同产生，但是由于地下存在电阻率差异较大的高阻体和低阻体，导致地下电流的分布与地下不均匀导电体是不同的。根据电场强度在岩矿石分界面的切向方向分量连续的边界条件，得出以下结论：高阻体具有排斥电流能力，电阻率越高，排斥电流能力越强；低阻体具有吸引电流能力，电阻率越低，吸引电流能力越强。根据上述结论，低阻体吸引电流能力较高阻体强，低阻体上方地面的电流密度就会减少，因此在正常场的基础上会有一个明显的极小值出现电场强度曲线上；同理由于高阻体排斥电流的能力强于低阻体，高阻体上方地面的电流密度增大，在正常场基础上会有一个明显的极大值出现在电场强度曲线上。
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2.2 高密度电法工作原理
高密度电法是视电阻率垂向电测深和视电阻率剖面测量两种方法相结合的产物，其原理与常规电阻率法完全相同，是以岩（矿）石的电性差异为基础的一种勘探方法[53][54]。高密度电法不但可以反映测点下方不同电性的岩层随深度的分布情况，还可以反映地下一定深度内沿水平方向地电断面的特征，这弥补了常规电阻率法测点相对稀少、解释依据单一的缺点。
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3.1 勘探区现状 .................................. 15
3.1.1 矿井状况 ....................................... 15
3.1.2 塌陷区与废弃竖井情况 .............................. 16
第四章 数值模拟研究工作 ................................... 22
4.1 模型建造参数及研究内容 ................................ 22
4.1.1 建模依据 ................................. 22
4.1.2 建模参数 .................................... 22
第五章 工程实测工作 .............................. 43
5.1 仪器设备及相关技术指标 ............................. 43
5.2 工作参数 ......................... 43
5.3 工程布设 .............................. 44
第五章 工程实测工作
5.1 仪器设备及相关技术指标
本次勘测所使用的设备为中国地质装备总公司重庆地质仪器厂生产DUK-2A 高密度电法测量系统，该系统由 DUK-2A 高密度电法测量仪和 DUK-2多路电极转换器共同构成。仪器主要技术指标如下：
1、电极道数：最大 120 道；
2、装置形式：温纳、施伦贝尔、温纳-施伦贝尔、偶极-偶极、微分、二级电阻率成像 CT 法、三极滚动连续测深法及单边三极滚动连续测深等；
3、极距隔离系数（n）：根据数据处理软件的要求，设定最小隔离系数 n（MIN）以及最大隔离系数 n（MAX）；
4、操作方式：用 16 键小键盘结合 80 字符 LCD 显示屏，构成人机对话的操作方式，完成一期工作模式设置、参数输入、状态检查、工作过程监测等功能；
5、绝缘性能大于 500MΩ；承受电压小于 900V；允许最大电流：5A；
6、工作环境温度：-10℃—50℃，工作环境湿度：≤85%。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文通过运用二维高密度电法 res2dmod 正演模拟软件，建立单一异常体模型及符合勘探区实情的复杂异常体模型，先进行基于有限差分法的正演计算，得到异常体模型的视电阻率正演值拟断面图，然后通过运用二维高密度电法res2dinv 反演模拟软件进行最小二乘法反演，得到异常体模型的视电阻率反演值拟断面图，最后根据数值模拟结果对比分析实测资料，得出高密度电法对和龙市大青头沟村地下采空区的勘探研究的相关结论如下：
1、通过构建低阻、高阻单一采空区地电模型可知，温纳装置形式相比其他四种装置形式不仅能反映目标异常体与围岩的电性差异，还能更好的反映目标异常体的位置、埋深和中心宽度，因此在此次工程勘探区内使用高密度电法的温纳装置形式勘测煤田采空区更加合理有效。
2、根据勘探区内存在的多个采空区及相关地质构造，构建相应的复杂地电模型与之匹配。通过构建采用温纳装置的低阻—低阻采空区模型、低阻—高阻采空区模型、高阻—高阻采空区模型，表明复杂地质情况下多个采空区之间存在略微影响，但整体上不影响对地下采空区位置、埋深及中心宽度的推断，基本不影响探测结果。通过建造采用温纳装置形式的夹杂断裂的低阻—低阻采空区模型，表明断裂构造对于煤田采空区位置、埋深及中心宽度的推断基本没有影响；反演结果中的断裂构造位置与模型断裂位置基本吻合，倾向与模型一致，产状较模型略微陡立。
3、通过数值模拟结果对比分析实测资料，在 WT-01 反演断面图和 WT-02 反演断面图上圈定了四个低阻异常 DY-1、DY-2、DY-3 和 DY-4，并推断低阻异常位置、埋深及中心宽度等相关信息；根据 WT-01 剖面和 WT-02 剖面布设方向、地面高程及圈定的 4 处低阻异常推断埋深，推断整个含煤地层倾向北东；根据夹杂断裂构造的低阻-低阻异常体模型分析，WT-01 剖面含煤地层被后期断裂构造 D1 切割，使含煤地层在该剖面中部附近形成断崖式形态，与实际情况相符。
4、圈定的低阻异常 DY-1、DY-4 经钻孔验证，验证结果与高密度电法推断解译成果吻合度较高，这说明在勘探区内使用高密度电法探测煤田采空区效果理想，可为后期恢复治理工作提供充分的地球物理依据。
参考文献（略）