綜合物探法在礦區采空區勘查中的應用

摘要：礦區地下隱伏采空區的存在嚴重威脅著生產和人員的安全，運用科學合理的手段進行空區探測，是保障礦山安全的重要措施。本文從采空區勘探角度出發，闡述了地震映像法和高密度電阻率法的工作原理、特點和技術方法，并分別利用對高密度電阻率法和地震映像法兩種地球物理分支方法，對煙臺市福山區王家莊村位于福山銅礦礦區采礦區進行采空區勘察研究。地震映像法和高密度電阻率法這兩種不同的物探方法在實際勘察中可以達到相互驗證、相互補充的作用。本文的研究旨在通過本次物探工作，查明工作區內采空區及塌陷位置的分布特征，為鉆孔驗證提供依據。

關鍵詞：高密度電阻率法 地震映像法 采空區 應用

1 概述

近年來我國發現的地質災害中50%以上是人類活動所造成的，其中礦區采空區地質災害發生頻繁。大規模的礦產資源開發，形成的礦區地下采空區，導致大面積地表沉陷，地面建構筑物、交通設施、生活基礎設施、土地等遭受到嚴重破壞。運用合適的地球物理探測方法，并快速有效地查明這些礦區采空區的地質災害的空間賦存特征，對于指導地質災害的治理和施工工程尤為重要。因此高度認識礦區采空區的危害和面臨的嚴峻形勢，進一步加強對礦區采空區的管理，開展對采空區的探測研究，以期能準確圈定出采空區（含采空影響區）、陷落柱及斷層等地質異常體的確切位置及其賦水性，具有重要的現實意義。

煙臺市福山區王家莊村位于福山銅礦礦區采礦區范圍內，據現場調查情況，該村地下存在多條采空巷道，且出現過塌陷現象。為查明采空區等不良地質現象的存在狀況，本文采用高密度電法和地震映像法進行勘察，為防止出現塌陷等地質災害和下一步采取措施消除建設工程隱患提供依據。通過本次物探工作，查明工作區內采空區及塌陷位置的分布特征，也為下一步鉆孔驗證提供了依據。

2 本文主要勘察方法技術

2.1 地震映像法

2.1.1 地震映像法采空區探測原理

地震映像法是近10年來用于探測淺部介質中縱、橫向不均勻體的有效方法。地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移動測點來接收地震信號，在地面或水面對地下目標體進行連續掃描，利用多種地震波信息來探測地下介質變化的淺層地震勘探方法。該方法可以利用多種波作為有效波來進行探測，也可以根據探測目的要求僅采用一種特定的波作為有效波。常用的波有折射波、反射波和繞射波，除此以外還可根據情況利用有一定規律的面波、橫波和轉換波來進行探測。在這種方法中，每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發和接收。在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映出地質體沿垂直方向和水平方向的變化。地震映像可以用波形圖或彩色振幅圖顯示結果，同時進行運動學和動力學方面的解釋分析，數據處理可以在空間、時間和頻率域中進行，圖示直觀。

2.1.2 地震映像法的特點

①數據采集速度快，但抗干擾能力差，勘探深度有限。

②資料解釋中可以利用多種波的信息，即有效波不但是反射波，還可以是折射波、面波、繞射波。

③在探測目的單一，只需研究橫向的地質情況下，效果較好，而探測目的層較多時，不易確定最佳偏移距。

④由于每個記錄都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時間變化主要為地下地質異常體的反映，給資料解釋帶來極大的方便。

2.2 高密度電法

高密度電阻率法是集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點進行二維地電斷面測量的一種電阻率法勘探技術，它提供的數據量大，信息多，并有觀測精度高、速度快等特點，在工程與環境地質等方面取得了良好的地質效果。

高密度電阻率法是基于垂向直流電阻率測深與直流電阻率剖面測量兩種方法相結合的基本原理，通過高密度電法測量系統中的軟硬件，控制在同一條多芯電纜上布置連結的多個電極，使其自動組成多個垂向測深點或多個不同探測深度的探測剖面，根據控制系統中選擇的探測裝置類型，對電極進行相應的排列組合，按照測深點位置的排列順序或探測剖面的深度順序，逐點或逐層探測，實現了自動布點、自動跑極、自動供電、自動觀測、自動記錄、自動計算、自動存儲。把存儲數據調入RES2D圖像處理軟件，可自動生成各測深點及各剖面層的曲線或整體剖面圖像。

3 本文工作內容

本文主要依據《城市工程地球物理探測規范》CJJ7-2007，本次物探工作自2012年9月12日開始，至2012年9月20日結束，完成的工作量見表1。

4 資料解釋

4.1 資料解釋原則

推斷解釋遵循由已知到未知的原則，依據方法試驗中各方法反映的異常特征，在充分研究試驗取得成果的基礎上，由點到線，由線到面，進行合理的推斷解釋。

高密度電阻率法：

①電阻率圖像呈U型下凹的低阻是該區主要異常特征，是判別采空區（充填）的主要依據，這種異常主要從地表開始，向下延伸；②曲線呈U型下凹的低阻異常形態基本和采空區的形態一致，圖形直觀，易于判別，低阻異常規模越大反映了采空區或構造的規模越大；③U型的低阻異常下凹深度小時并不完全代表地下異常體的大小，要結合映像分析。

地震映像法：在地震映像圖上具有同相軸錯斷、散射波、頻率變化等特征，是判斷是否存在采空區的標志；而在地震映像圖上呈現低速、多相位、波阻。

不連續異常則是反映地層界線及斷層構造的標志，具體原則如下：①地震映像圖上呈現的低速、多相位、能量明顯降低、波阻不連續系因地層較軟所致，其對應電阻率剖面圖低阻異常向下延伸較大；②地震映像圖上呈現多相位、波阻不連續，但能量較強，速度不明顯降低的異常系因地層巖石破碎所致，其對應電阻率剖面圖低阻異常向下延伸較小，但異常規模不一定小。

4.2 資料解釋（以1線、5線、16線為例）

1線：

地震映像（YX1）：6米和66米處波形相位不連續，振幅能量降低，推斷該處為采空區；152-174米之間地震波呈現低速、多相位、振幅能量變強的特點，推斷該處為塌陷區。

高密度電法（GD1）：162～165米處視電阻率圖像呈“U”型，是塌陷區的反應。

驗證鉆孔定于該測線163米處。（地震映像YX1線東端木樁向西21米處）

5線：

地震映像（YX5）：64-68米之間的地震波出現繞射弧，推斷該處為采空區，埋深不大，應在50米以內。

高密度電法（GD5）：64～68米處視電阻率圖像在AB/2=30-50米之間呈封閉的低阻異常。同樣可能是采空區充水的反應。

5號高密度視電阻率成果圖

16線：

176-184米之間的波形雜亂，相位不連續，振幅能量增強的特點，推斷該處為塌陷區（局部空洞）；278-283米之間地震波呈現低速、多相位、振幅能量變強的特點，推斷該處為塌陷區。

高密度電法（GD16）：180～186米處視電阻率圖像呈“U”型，是塌陷區的反應；278-283米之間，由于場地所限，圖像僅能反映上部地層情況。

驗證鉆孔定于該測線279米和181米兩處，181米處鉆探深度50米左右。

5 結論與建議

5.1 結論

本文用軟件成圖，圖像清晰，直觀地反映了地下采空區結構形態等情況；利用地震映像法和高密度電阻率法兩種物探方法的使用，能夠互相驗證，克服單一方法的局限性。本文通過利用同一地質現象不同方面的物理性質，分別采取了不同方法得出結論，結論認為：鉆探位置及深度如下：

①16線279米處；

②1線163米處；

③18線55米處；

④16線181米處，該處鉆探深度50米左右；

⑤7線51米處；

⑥13線42米處；

⑦18線342米處。

說明：鉆探深度結合測深曲線確定。

5.2 建議

5.2.1 按照結論順序進行鉆探驗證。

5.2.2 根據本階段物探勘查情況，為減少物探方法的多解性，建議下一期物探工作進行綜合方法。

參考文獻：

[1]郭秀軍等.用高密度電阻率法進行空洞探測的幾個問題[J].工程物探信息，2002，6：36.

[2]劉建華，彭向峰，孫智峰.高分辨率地震技術探測采空區研究——以賈汪煤礦區為例[J].高校地質學報，1996，2（4）：45-57.

[3]寇繩武，李克祥，郭舜等.高密度電阻率法探測洞穴、采空區的效果分析[J].工程勘察，1994（6）：61-65.

[4]祁民，張寶林，梁光河，陳友明，管剛.高分辨率預測地下復雜采空區的空間分布特征——高密度電法在山西陽泉某復雜采空區中的初步應用研究[J].地區物理學進展，2006，21（1）：256-262.

[5]張向宇，畢炳坤，楊平太，等.高密度電阻率法探測采空區[J].物探與化探，2009，33（3）：34.

[6]熊章強，方顯根.淺層地震勘探[M].北京：地質出版社，2002：21-22.

[7]張華，徐紅利.地震映像法在地質災害調查中應用[J].工程勘察，2010（5）.

[8]李水平.高密度電阻率法在鋁土礦床上的應用[J].物探與化探，2009：33（1）.

作者簡介：張雪飛（1981-），男，山東濱州人，物化探副經理，物化探助理工程師，研究方向：地球物理、化學勘查。