利用綜合物探法精準(zhǔn)探測(cè)弓長(zhǎng)嶺露天礦采空區(qū)

張德輝 朱帝杰

(1.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺露天礦，遼寧 遼陽(yáng)111008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

近年來(lái)，地球物理方法在礦區(qū)采空區(qū)探測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用較多的方法有淺層地震法［1-3］、電磁波法［4-6］、電阻率法［7-11］等。大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，李文等［12］結(jié)合高密度電阻率法、瞬變電磁法、EH－4 大地電磁法和淺層地震法等4 類地面采空區(qū)探測(cè)技術(shù)探明了鄂爾多斯礦區(qū)采空區(qū)的分布范圍和安全隱患;趙國(guó)彥［13］結(jié)合高密度電阻率法和地震映像法，利用分形理論對(duì)金屬礦隱覆采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè);門業(yè)凱等［14］綜合運(yùn)用高密度電阻率法和地震映像法對(duì)露天鐵礦采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，很大程度上解決了探測(cè)盲區(qū)、易受干擾和定位困難的問(wèn)題。隨著物探技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三維地震法、井下地震波法、三維高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外測(cè)水法、核磁共振測(cè)水法、測(cè)氡法等新方法。李娟娟等［15］從地球物理特征入手，分析淺層地震法、探地雷達(dá)法和可控源音頻大地電磁測(cè)深法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)的基本原理，并結(jié)合工程實(shí)例證明了三者的可行性并分析了各自特點(diǎn);劉軍等［16］運(yùn)用GPS RTK、靜態(tài)定位和C－ALS 三維激光探測(cè)系統(tǒng)，研究了基于GPS、三維激光掃描技術(shù)的露天礦山采空區(qū)探測(cè)工藝;劉希靈等［17］運(yùn)用空區(qū)激光三維探測(cè)儀從地表對(duì)地下不可進(jìn)入的采空區(qū)進(jìn)行了三維探測(cè)，探測(cè)結(jié)果較直觀地顯示了所測(cè)采空區(qū)的形狀;鄧世坤等［18］利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)露天采礦場(chǎng)地下不明空區(qū)進(jìn)行了探測(cè);劉敦旺等［19］利用活性炭測(cè)氡法，并結(jié)合瞬變電磁法對(duì)古交市南巖村山鑫煤礦采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，論述了活性炭測(cè)氡法探測(cè)采空區(qū)的可行性。

弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦具有特殊的地質(zhì)、地球物理特征以及采空區(qū)賦存狀態(tài)的復(fù)雜性特征［20-21］:①弓長(zhǎng)嶺鐵礦床為沉積變質(zhì)型鐵礦床，形成于25 億a 以前的新太古代時(shí)期，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程中，發(fā)生了多期次不同程度的變質(zhì)、構(gòu)造、巖漿活動(dòng)，多期次褶皺構(gòu)造發(fā)育，礦體產(chǎn)狀變化大，多級(jí)別、多組斷裂切割礦體，巖層破碎強(qiáng)烈，不同地質(zhì)體的地球物理特征差異較大，復(fù)雜的地質(zhì)條件造成了該區(qū)地球物理?xiàng)l件的復(fù)雜性，給采空區(qū)的精準(zhǔn)判別帶來(lái)巨大影響;②采空區(qū)多位于采礦生產(chǎn)區(qū)域，環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)車輛多、人員往來(lái)頻繁以及生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的大量振動(dòng)、游離電荷和電磁干擾嚴(yán)重影響了地球物理場(chǎng)的穩(wěn)定性;③采空區(qū)規(guī)模變化較大，賦存層位雜亂，無(wú)一定的規(guī)律，影響了對(duì)采空區(qū)的準(zhǔn)確識(shí)別。對(duì)此，將高密度電阻率法和瞬變電磁法相結(jié)合，構(gòu)建了綜合物探模型對(duì)該礦采空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。

1 工程概況

弓長(zhǎng)嶺礦區(qū)為露天開采區(qū)，巖石為變質(zhì)巖，礦體賦存于褶皺部位，圍巖破碎強(qiáng)烈。礦區(qū)巖性變化大、構(gòu)造發(fā)育和場(chǎng)地條件復(fù)雜，場(chǎng)地房屋建筑、果園、樹林和灌木叢、河流、車輛、電線桿和礦坑塌陷等障礙物較多。本研究布置的測(cè)線:①高密度電阻率法，共完成測(cè)線18 條，總線長(zhǎng)約7.6 km;②瞬變電磁法，共完成測(cè)線21 條，總線長(zhǎng)約3.3 km。采空區(qū)與圍巖存在導(dǎo)電差異，具備采用電法探測(cè)采空區(qū)的地球物理前提。由于采空區(qū)較少含水，瞬變電磁法和高密度電阻率法的異常顯示為局部高阻異常。

2 采空區(qū)探測(cè)

2.1 高密度電阻率法

2.1.1 模型參數(shù)選擇

針對(duì)鐵礦山采空區(qū)的地質(zhì)特征，采用高密度電阻率法裝置中的溫納、偶極、單邊三極等裝置采集數(shù)據(jù)，建立分析模型。為減小誤差，獲取巖(礦)石現(xiàn)場(chǎng)電阻率值，采用露頭法測(cè)量。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)巖(礦)體分布情況，模型中設(shè)定礦體電阻率為1 000 Ω·m，圍巖及夾石的電阻率為2 000 Ω·m，采空區(qū)電阻率為10 000 Ω·m，采空區(qū)充水情況下電阻率由水決定，為10 Ω·m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，只有寬度超過(guò)4 m的采空區(qū)才對(duì)生產(chǎn)構(gòu)成危害，因此在保證探測(cè)深度與精度的前提下，極距設(shè)為4 m，電極數(shù)設(shè)為60，最小隔離系數(shù)設(shè)為1，最大隔離系數(shù)設(shè)為19，測(cè)深達(dá)76 m。

2.1.2 電阻率異常數(shù)值模擬

根據(jù)電性特征，地下采空區(qū)可分為高阻采空區(qū)和低阻采空區(qū)2 類。通過(guò)建立礦體高、低阻單、雙采空區(qū)模型、圍巖高、低阻單、雙采空區(qū)地電模型和復(fù)雜地質(zhì)條件下高、低阻單、雙采空區(qū)地電模型，研究采空區(qū)的分布規(guī)律。礦體高、低阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。由圖1、圖2 可知:①高密度電阻率法的各種探測(cè)裝置對(duì)高阻采空區(qū)的探測(cè)效果較好，對(duì)低阻采空區(qū)的探測(cè)效果相對(duì)較差;②高密度電阻率法的各種探測(cè)裝置可有效確定采空區(qū)頂板埋深，但對(duì)采空區(qū)特別是低阻采空區(qū)底板的區(qū)分能力較差;③對(duì)于水平疊加的采空區(qū)，偶極和單邊三極裝置區(qū)分能力較強(qiáng)，溫納裝置的區(qū)分能力較差;④在模擬條件下，對(duì)采空區(qū)的探測(cè)效果，單邊三極裝置優(yōu)于偶極裝置，偶極裝置優(yōu)于溫納裝置，但單邊三極、偶極裝置的抗干擾能力及穩(wěn)定性較差，溫納裝置抗干擾能力和穩(wěn)定性較好。

2.2 瞬變電磁法

根據(jù)采空區(qū)探測(cè)的特點(diǎn)，采用TEMPlot 軟件對(duì)采集的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量評(píng)價(jià)和處理，采用Surfer軟件進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)的可視化處理，采用IX1D 軟件對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行正反演驗(yàn)證。

2.2.1 探測(cè)數(shù)據(jù)處理

隨著靈敏度的提高，瞬變電磁法的抗干擾能力必然減弱，因此有必要對(duì)采集的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)處理，以剔除假異常。在此基礎(chǔ)上，采用瞬變電磁工作站軟件對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理。

圖1 礦體中高阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.1 Simulation result of high-resistance double goafs

(1)應(yīng)用“濾波”和“編輯”模塊，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切處理，提取探測(cè)數(shù)據(jù)處理所需部分，并對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，消除干擾，增強(qiáng)異常。濾波主要針對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，進(jìn)行衰減趨勢(shì)、畸變道消除和過(guò)度過(guò)程消除濾波，有時(shí)應(yīng)根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和干擾因素，進(jìn)行一定參數(shù)的測(cè)道圓滑和測(cè)點(diǎn)圓滑處理。

(2)顯示其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖，據(jù)此進(jìn)行初步定性解譯。

(3)結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)的工作裝置和相關(guān)參數(shù)，建立供瞬變電磁工作站軟件進(jìn)行正反演計(jì)算的數(shù)據(jù)文件，便于進(jìn)行正反演計(jì)算，獲取較直觀的探測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖2 礦體中低阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Simulation result of low-resistance double goafs

(4)探測(cè)數(shù)據(jù)的反演計(jì)算，主要針對(duì)上述處理結(jié)果形成的數(shù)據(jù)文件，對(duì)整條測(cè)線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行一維反演，得出測(cè)線上每點(diǎn)一定深度下的電阻率變化信息。還可進(jìn)一步進(jìn)行可視化處理，使處理結(jié)果更加直觀，便于地質(zhì)解譯。

2.2.2 探測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證

采用瞬變電磁反演軟件IX1D，對(duì)于區(qū)內(nèi)某測(cè)線，在10 ～50 m 區(qū)域內(nèi)選取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演和擬合計(jì)算。結(jié)果表明:該2 個(gè)測(cè)點(diǎn)在25 ～120 m 處均出現(xiàn)明顯高阻異常，與瞬變電磁工作站軟件處理結(jié)果一致，反應(yīng)出該軟件處理后的探測(cè)數(shù)據(jù)較為可靠。

2.3 綜合解譯

高密度電阻率法測(cè)線橫貫測(cè)區(qū)東西，大部分測(cè)線出現(xiàn)3 處局部高阻異常。基于溫納剖面法的1#測(cè)線和8#測(cè)線解譯結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 高密度電阻率法部分探測(cè)成果Fig.3 Part of the detection results of high density resistivity method

根據(jù)異常圈定的采空區(qū)帶的范圍和高度，不排除在采空區(qū)帶內(nèi)存在多層采空區(qū)和礦柱的可能。為此，進(jìn)行了高密度電阻率法與瞬變電磁法的綜合解譯，基于溫納剖面法的5#測(cè)線綜合解譯結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 5#測(cè)線高密度電阻率法和瞬變電磁方法的綜合解譯結(jié)果Fig.4 Comprehensive interpret results of high density resistivity and transient electromagnetic method of 5# measuring line

根據(jù)上述解譯成果，在弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)共圈定了KQ01、KQ02、KQ03 3 個(gè)淺部采空區(qū)和KQ04、KQ05 2個(gè)深部采空區(qū)。KQ01 采空區(qū)位于測(cè)區(qū)西部，規(guī)模較小，寬約30 m，頂板埋深約40 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約30 m，由北向南埋深變淺;KQ02 采空區(qū)位于測(cè)區(qū)中部，規(guī)模較大，中部有分叉現(xiàn)象，寬約70 m，頂板埋深約40 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約40 m，由北向南埋深變淺;KQ03 采空區(qū)位于測(cè)區(qū)東部，規(guī)模較小，寬約30 m，頂板埋深約60 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約30 m。KQ04、KQ05 深部采空區(qū)主要是根據(jù)瞬變電磁5#、6#、7#、11#線的異常圈定的，在11#測(cè)線80 ～170 m 處出現(xiàn)埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 采空區(qū)的顯示;在5#、6#、7#測(cè)線上出現(xiàn)埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 、KQ05 采空區(qū)的顯示，總體頂板埋深約140 m。總體來(lái)看，KQ05 采空區(qū)規(guī)模較小，KQ04 采空區(qū)規(guī)模較大。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)弓長(zhǎng)嶺露天鐵礦采空區(qū)，建立了高、低阻單、雙采空區(qū)模型，將用于不同地質(zhì)條件和目標(biāo)的高密度電阻率法與瞬變電磁法相結(jié)合，建立了同一地質(zhì)體的地質(zhì)及地球物理識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)深部采空區(qū)和淺部采空區(qū)的精準(zhǔn)探測(cè)。探測(cè)結(jié)果說(shuō)明，采用綜合物探法能夠?qū)Σ煽諈^(qū)的位置和范圍等信息進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，具有一定的實(shí)用性。

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