利用綜合物探法精準探測弓長嶺露天礦采空區

張德輝 朱帝杰

(1.鞍鋼礦業集團弓長嶺露天礦，遼寧 遼陽111008;2.中國礦業大學( 北京) 力學與建筑工程學院，北京100083)

近年來，地球物理方法在礦區采空區探測方面得到了廣泛應用，應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。大量學者對此進行了研究，李文等［12］結合高密度電阻率法、瞬變電磁法、EH－4 大地電磁法和淺層地震法等4 類地面采空區探測技術探明了鄂爾多斯礦區采空區的分布范圍和安全隱患;趙國彥［13］結合高密度電阻率法和地震映像法，利用分形理論對金屬礦隱覆采空區進行了探測;門業凱等［14］綜合運用高密度電阻率法和地震映像法對露天鐵礦采空區進行了探測，很大程度上解決了探測盲區、易受干擾和定位困難的問題。隨著物探技術的發展，出現了三維地震法、井下地震波法、三維高密度電法、地質雷達法、紅外測水法、核磁共振測水法、測氡法等新方法。李娟娟等［15］從地球物理特征入手，分析淺層地震法、探地雷達法和可控源音頻大地電磁測深法對采空區進行探測的基本原理，并結合工程實例證明了三者的可行性并分析了各自特點;劉軍等［16］運用GPS RTK、靜態定位和C－ALS 三維激光探測系統，研究了基于GPS、三維激光掃描技術的露天礦山采空區探測工藝;劉希靈等［17］運用空區激光三維探測儀從地表對地下不可進入的采空區進行了三維探測，探測結果較直觀地顯示了所測采空區的形狀;鄧世坤等［18］利用地質雷達對露天采礦場地下不明空區進行了探測;劉敦旺等［19］利用活性炭測氡法，并結合瞬變電磁法對古交市南巖村山鑫煤礦采空區進行了探測，論述了活性炭測氡法探測采空區的可行性。

弓長嶺露天鐵礦具有特殊的地質、地球物理特征以及采空區賦存狀態的復雜性特征［20-21］:①弓長嶺鐵礦床為沉積變質型鐵礦床，形成于25 億a 以前的新太古代時期，在漫長的地質歷史過程中，發生了多期次不同程度的變質、構造、巖漿活動，多期次褶皺構造發育，礦體產狀變化大，多級別、多組斷裂切割礦體，巖層破碎強烈，不同地質體的地球物理特征差異較大，復雜的地質條件造成了該區地球物理條件的復雜性，給采空區的精準判別帶來巨大影響;②采空區多位于采礦生產區域，環境復雜、生產車輛多、人員往來頻繁以及生產活動產生的大量振動、游離電荷和電磁干擾嚴重影響了地球物理場的穩定性;③采空區規模變化較大，賦存層位雜亂，無一定的規律，影響了對采空區的準確識別。對此，將高密度電阻率法和瞬變電磁法相結合，構建了綜合物探模型對該礦采空區進行精準探測。

1 工程概況

弓長嶺礦區為露天開采區，巖石為變質巖，礦體賦存于褶皺部位，圍巖破碎強烈。礦區巖性變化大、構造發育和場地條件復雜，場地房屋建筑、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。本研究布置的測線:①高密度電阻率法，共完成測線18 條，總線長約7.6 km;②瞬變電磁法，共完成測線21 條，總線長約3.3 km。采空區與圍巖存在導電差異，具備采用電法探測采空區的地球物理前提。由于采空區較少含水，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 采空區探測

2.1 高密度電阻率法

2.1.1 模型參數選擇

針對鐵礦山采空區的地質特征，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據，建立分析模型。為減小誤差，獲取巖(礦)石現場電阻率值，采用露頭法測量。結合該區域內巖(礦)體分布情況，模型中設定礦體電阻率為1 000 Ω·m，圍巖及夾石的電阻率為2 000 Ω·m，采空區電阻率為10 000 Ω·m，采空區充水情況下電阻率由水決定，為10 Ω·m。根據現場實際情況，只有寬度超過4 m的采空區才對生產構成危害，因此在保證探測深度與精度的前提下，極距設為4 m，電極數設為60，最小隔離系數設為1，最大隔離系數設為19，測深達76 m。

2.1.2 電阻率異常數值模擬

根據電性特征，地下采空區可分為高阻采空區和低阻采空區2 類。通過建立礦體高、低阻單、雙采空區模型、圍巖高、低阻單、雙采空區地電模型和復雜地質條件下高、低阻單、雙采空區地電模型，研究采空區的分布規律。礦體高、低阻雙采空區模型數值模擬結果見圖1、圖2。由圖1、圖2 可知:①高密度電阻率法的各種探測裝置對高阻采空區的探測效果較好，對低阻采空區的探測效果相對較差;②高密度電阻率法的各種探測裝置可有效確定采空區頂板埋深，但對采空區特別是低阻采空區底板的區分能力較差;③對于水平疊加的采空區，偶極和單邊三極裝置區分能力較強，溫納裝置的區分能力較差;④在模擬條件下，對采空區的探測效果，單邊三極裝置優于偶極裝置，偶極裝置優于溫納裝置，但單邊三極、偶極裝置的抗干擾能力及穩定性較差，溫納裝置抗干擾能力和穩定性較好。

2.2 瞬變電磁法

根據采空區探測的特點，采用TEMPlot 軟件對采集的探測數據進行初步質量評價和處理，采用Surfer軟件進行探測數據的可視化處理，采用IX1D 軟件對探測數據的處理結果進行正反演驗證。

2.2.1 探測數據處理

隨著靈敏度的提高，瞬變電磁法的抗干擾能力必然減弱，因此有必要對采集的探測數據進行適當的增強處理，以剔除假異常。在此基礎上，采用瞬變電磁工作站軟件對探測數據進行系統處理。

圖1 礦體中高阻雙采空區模型數值模擬結果Fig.1 Simulation result of high-resistance double goafs

(1)應用“濾波”和“編輯”模塊，對探測數據進行剪切處理，提取探測數據處理所需部分，并對探測數據進行濾波處理，消除干擾，增強異常。濾波主要針對探測數據的特點，進行衰減趨勢、畸變道消除和過度過程消除濾波，有時應根據探測數據的質量和干擾因素，進行一定參數的測道圓滑和測點圓滑處理。

(2)顯示其感應電動勢剖面圖，據此進行初步定性解譯。

(3)結合探測數據采集時的工作裝置和相關參數，建立供瞬變電磁工作站軟件進行正反演計算的數據文件，便于進行正反演計算，獲取較直觀的探測數據處理結果。

圖2 礦體中低阻雙采空區模型數值模擬結果Fig.2 Simulation result of low-resistance double goafs

(4)探測數據的反演計算，主要針對上述處理結果形成的數據文件，對整條測線上的數據點進行一維反演，得出測線上每點一定深度下的電阻率變化信息。還可進一步進行可視化處理，使處理結果更加直觀，便于地質解譯。

2.2.2 探測數據處理結果驗證

采用瞬變電磁反演軟件IX1D，對于區內某測線，在10 ～50 m 區域內選取2 個測點的數據進行反演和擬合計算。結果表明:該2 個測點在25 ～120 m 處均出現明顯高阻異常，與瞬變電磁工作站軟件處理結果一致，反應出該軟件處理后的探測數據較為可靠。

2.3 綜合解譯

高密度電阻率法測線橫貫測區東西，大部分測線出現3 處局部高阻異常。基于溫納剖面法的1#測線和8#測線解譯結果見圖3。

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

根據異常圈定的采空區帶的范圍和高度，不排除在采空區帶內存在多層采空區和礦柱的可能。為此，進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#測線綜合解譯結果見圖4。

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

根據上述解譯成果，在弓長嶺鐵礦區共圈定了KQ01、KQ02、KQ03 3 個淺部采空區和KQ04、KQ05 2個深部采空區。KQ01 采空區位于測區西部，規模較小，寬約30 m，頂板埋深約40 m，采空區頂底板間厚約30 m，由北向南埋深變淺;KQ02 采空區位于測區中部，規模較大，中部有分叉現象，寬約70 m，頂板埋深約40 m，采空區頂底板間厚約40 m，由北向南埋深變淺;KQ03 采空區位于測區東部，規模較小，寬約30 m，頂板埋深約60 m，采空區頂底板間厚約30 m。KQ04、KQ05 深部采空區主要是根據瞬變電磁5#、6#、7#、11#線的異常圈定的，在11#測線80 ～170 m 處出現埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 采空區的顯示;在5#、6#、7#測線上出現埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 、KQ05 采空區的顯示，總體頂板埋深約140 m。總體來看，KQ05 采空區規模較小，KQ04 采空區規模較大。

3 結 語

針對弓長嶺露天鐵礦采空區，建立了高、低阻單、雙采空區模型，將用于不同地質條件和目標的高密度電阻率法與瞬變電磁法相結合，建立了同一地質體的地質及地球物理識別模型，實現了對礦區深部采空區和淺部采空區的精準探測。探測結果說明，采用綜合物探法能夠對采空區的位置和范圍等信息進行準確探測，具有一定的實用性。

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