應(yīng)用物理勘探技術(shù)探測(cè)大寶山礦盲采空區(qū)的試驗(yàn)研究

陳學(xué)軍，劉 靜，趙子巍

(1.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關(guān)市 512127；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

應(yīng)用物理勘探技術(shù)探測(cè)大寶山礦盲采空區(qū)的試驗(yàn)研究

陳學(xué)軍1，劉 靜2，趙子巍2

(1.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關(guān)市 512127；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

采用音頻電磁測(cè)深法和地面五極縱軸激電測(cè)深法，對(duì)廣東省大寶山礦業(yè)有限公司銅礦分公司北采區(qū)部分區(qū)域進(jìn)行了物理探測(cè)試驗(yàn)，有效論證了音頻電磁測(cè)深法在大寶山礦區(qū)探測(cè)采空區(qū)的可行性，并查明礦山指定區(qū)域內(nèi)埋深50 m范圍內(nèi)采空區(qū)的分布及規(guī)模，為采空區(qū)鉆探及治理提供了依據(jù)。

音頻電磁測(cè)深；地面五級(jí)縱軸激電測(cè)深；空區(qū)；電阻率；極化率

0 引 言

大寶山礦業(yè)有限公司銅礦分公司露天采場(chǎng)下部存在許多不明采空區(qū)，對(duì)礦山生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患。為了尋找探測(cè)地下不明采空區(qū)位置及規(guī)模的有效方法，并在未來(lái)開(kāi)展大面積不明采空區(qū)探測(cè)，結(jié)合礦山生產(chǎn)與年度計(jì)劃要求，為采空區(qū)鉆探及治理提供依據(jù)，大寶山礦業(yè)有限公司委托長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司開(kāi)展北采區(qū)部分區(qū)域物理探測(cè)試驗(yàn)研究，使用了音頻電磁測(cè)深法和地面五極縱軸激電測(cè)深法，有效論證了音頻電磁測(cè)深法在大寶山礦區(qū)探測(cè)采空區(qū)的可行性，并查明礦山指定區(qū)域內(nèi)埋深50 m范圍內(nèi)采空區(qū)的分布及規(guī)模，為采空區(qū)鉆探及治理提供依據(jù)[1￣6]。

1 物性前提分析及探測(cè)方法介紹

根據(jù)巖礦石電磁特征的普遍規(guī)律和工作區(qū)的地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)存在用音頻電磁測(cè)深法和五極縱軸激電測(cè)深法探測(cè)采空區(qū)的物性前提，主要體現(xiàn)為以下4個(gè)方面：

(1) 測(cè)區(qū)地層為淺部的鐵礦體和深部的層狀銅、鉛、鋅、硫多金屬礦體，為低電阻率地層，而無(wú)水采空區(qū)電阻率高。

(2) 無(wú)水采空區(qū)具有一定的規(guī)模，會(huì)在測(cè)線電阻率斷面圖中顯示電阻率曲線呈圓形和橢圓形分布，且電阻率值較高。區(qū)內(nèi)各地層中存在的短暫性(探測(cè)期間)充水空區(qū)具有較低的電阻率，相對(duì)較低的極化率，與圍巖存在物性差異。

(3) 區(qū)內(nèi)存在的黃鐵礦(化)體及硫化礦物等，其電阻率值較低，但其極化率較高，且在該礦區(qū)分布范圍廣，產(chǎn)狀平緩。

(4) 常年積水的老空區(qū)，電阻率很低，同時(shí)因硫酸根離子含量高，極化率高，其物性參數(shù)與圍巖差異不大，所以很難從電性參數(shù)及極化率參數(shù)加以區(qū)別。

音頻電磁測(cè)深探測(cè)是利用天然的電磁場(chǎng)穿過(guò)非均質(zhì)的大地介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的與天然電磁場(chǎng)同頻率的感應(yīng)電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)在大地傳播時(shí)，會(huì)引起電場(chǎng)的梯度變化，同時(shí)又引起磁場(chǎng)的垂直分量變化，其振幅衰減與穿過(guò)的地層深度存在關(guān)系，衰減速度與穿過(guò)的地層電阻率以及天然的頻率亦有關(guān)聯(lián)。地下構(gòu)造、巖溶、礦體以及采空區(qū)的探測(cè)運(yùn)用這一原理來(lái)實(shí)施，多年的實(shí)踐證實(shí)，在無(wú)干擾或干擾很小的情況下，探測(cè)效果非常理想。該方法的主要缺點(diǎn)為高壓線干擾嚴(yán)重，有高壓線區(qū)域幾乎無(wú)法接收有用信息。

本礦礦體圍巖黃鐵礦化、硫鐵礦化嚴(yán)重，呈現(xiàn)出低阻高極化特征，而無(wú)水空區(qū)呈現(xiàn)高阻低極化特征，常年性積水空區(qū)因含硫酸根離子高，也呈現(xiàn)低阻高極化特征，與礦體物性參數(shù)接近，短暫性積水空區(qū)呈現(xiàn)低阻低極化特征。雖然音頻電磁測(cè)深在無(wú)干擾的條件下，效果很好，但它只能采集到視電阻率數(shù)據(jù)，無(wú)法區(qū)別異常性質(zhì)，即在本礦無(wú)法區(qū)別積水空區(qū)和礦體(或礦化巖體)。而地面五極縱軸激電測(cè)深，可探測(cè)視電阻率和極化率兩個(gè)參數(shù)，從理論上分析，它可區(qū)別短暫性積水空區(qū)和礦體。

2 物探試驗(yàn)設(shè)計(jì)布置

物探試驗(yàn)設(shè)計(jì)在北采區(qū)672 m標(biāo)高平臺(tái)布置8條探測(cè)線，點(diǎn)距為10 m。主要目的是探測(cè)測(cè)區(qū)地面標(biāo)高以下50 m深度內(nèi)存在的采空區(qū)規(guī)模和位置。音頻電磁測(cè)深總工作量見(jiàn)表1。

表1 音頻電磁測(cè)深工程量

物探試驗(yàn)在所有音頻測(cè)深點(diǎn)布置了地面五極縱軸激電測(cè)深。但地面五極縱軸激電測(cè)深探測(cè)深度有限，加上地面五極縱軸激電測(cè)深野外工作裝置較復(fù)雜，須在3個(gè)方向布極或測(cè)量，探測(cè)工作困難。該礦為露采，工作場(chǎng)所復(fù)雜，無(wú)法按規(guī)范準(zhǔn)確布極和測(cè)量。地面五極縱軸激電測(cè)深總工作量見(jiàn)表2。

表2 地面五極縱軸激電測(cè)深工作量

3 物探試驗(yàn)推斷與解釋

由于測(cè)線較多，這里只做位于1X(1線)的音頻電磁測(cè)深斷面推斷解譯和地面五極縱軸激電測(cè)深斷面綜合推斷解釋。

3.1 1X(1線)音頻電磁測(cè)深斷面推斷解譯

1X線布置在指定試驗(yàn)區(qū)的西北面的最外側(cè)，長(zhǎng)100 m,11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線沿北東向布置。音頻電磁探測(cè)圖見(jiàn)圖1的左圖，從1X線的視電阻率異常及推斷解釋看出，整體來(lái)說(shuō)，地表附近的電阻率曲線變化平緩，中、深部變化過(guò)渡較劇烈，地表附近可能因連續(xù)降雨或黃鐵礦化或含礦豐富，表現(xiàn)為電阻率很低，淺部低阻出現(xiàn)在+665 m標(biāo)高上下，巖層受大氣降水或礦化的影響，含水性較好，表現(xiàn)出電阻率低的特性。局部相對(duì)高阻為空區(qū)、巷道的反映。

圖1 1X(1線)音頻電磁測(cè)深及五極縱軸激電測(cè)深斷面的解釋圖

1X線上的0.5～3號(hào)點(diǎn)、4～5.5號(hào)點(diǎn)、0～5號(hào)點(diǎn)、4～8號(hào)點(diǎn)、3～6號(hào)點(diǎn)等區(qū)段存在5個(gè)相對(duì)高阻主異常，其推斷解釋見(jiàn)表3。

另外，還存在一些小異常，如3～4號(hào)點(diǎn)的650～655 m標(biāo)高、8～9號(hào)點(diǎn)的655～660 m標(biāo)高可能存在巷道或小空區(qū)。

表3 1X線主要異常解釋結(jié)果

3.2 1X(1線)地面五極縱軸激電測(cè)深斷面綜合推斷解釋

1線全線做了地面五極縱軸激電測(cè)深，圖1的右上圖是1線五極縱軸激電測(cè)深視電阻率等值線斷面，右下圖為極化率等值線斷面，從視電阻率等值線斷面可以看出，埋深50 m范圍內(nèi)，在1.5～2.5號(hào)點(diǎn)的645～650 m標(biāo)高存在相對(duì)高阻異常，這與音頻測(cè)深斷面結(jié)果基本一致，但對(duì)應(yīng)高阻異常區(qū)的極化率較高，推測(cè)可能空區(qū)太小，周?chē)鷩鷰r極化率普遍較高，而反映不明顯。對(duì)比地面五極縱軸激電測(cè)深圖和音頻電磁測(cè)深圖，埋深50 m范圍內(nèi)2種方法探測(cè)的視電阻率等值線形態(tài)基本一致，異常位置和形態(tài)有點(diǎn)偏差。造成偏差的原因可能是地面五極縱軸激電測(cè)深時(shí)因臺(tái)階邊坡的存在，影響實(shí)際探測(cè)極距MN的大小。

從圖1右上圖可以看出，斷面存在一個(gè)高阻異常E1/1X。推測(cè)為巷道或采空區(qū)。

4 綜合分析解釋

從現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采集圖來(lái)看，音頻電磁測(cè)深大部分點(diǎn)探測(cè)順利，數(shù)據(jù)采集速度較快，干擾因素少，探測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。但由于本礦是露天開(kāi)采，陡坎邊坡密集，地面五極縱軸激電測(cè)深方法無(wú)法按規(guī)范要求實(shí)施[7]。

4.1 試驗(yàn)區(qū)異常綜合分析解釋

由于探測(cè)試驗(yàn)區(qū)不大，為獲得最佳物探效果，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)探測(cè)線方向?yàn)楸睎|向，達(dá)到各探測(cè)線的測(cè)點(diǎn)相對(duì)其他方向測(cè)點(diǎn)最多，物探數(shù)據(jù)相對(duì)更可靠。

本次是在同一試驗(yàn)區(qū)采用音頻電磁測(cè)深和五極縱軸激電測(cè)深兩種方法探測(cè)，根據(jù)兩種方法探測(cè)斷面的成果推斷采空區(qū)位置，再比較與實(shí)際采空區(qū)位置的接近程度來(lái)判斷探測(cè)方法的有效性以及哪種方法的準(zhǔn)確率更高。推斷解釋完全是根據(jù)實(shí)際探測(cè)斷面成果圖并結(jié)合地層及經(jīng)驗(yàn)，因此，推測(cè)的采空區(qū)大小和位置與實(shí)際采空區(qū)大小存在一定誤差，綜合分析可以得出以下幾點(diǎn)。

(1) 從各條音頻電磁測(cè)深反演后的斷面視電阻率等值線來(lái)看，試驗(yàn)區(qū)分布較多采空區(qū)和巷道。主要分布在試驗(yàn)區(qū)測(cè)線的中部、6～8號(hào)測(cè)線的大號(hào)點(diǎn)以及1～5號(hào)測(cè)線的0～4號(hào)點(diǎn)。

(2) 由于探測(cè)斷面圖是根據(jù)物探儀器采集曲線或數(shù)據(jù)，采用物探軟件自動(dòng)生成的連續(xù)等值線圖，而物探異常是相對(duì)值，是物探處理人員根據(jù)物探軟件生成的連續(xù)等值線斷面圖結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)資料人為圈定的，圈出的異常大小往往受人為經(jīng)驗(yàn)和對(duì)礦區(qū)各種資料了解程度的影響。因此，圈出的異常大小和位置與實(shí)際采空區(qū)或巷道的大小和位置存在一定誤差，估計(jì)本次誤差在10 m左右。

(3) 從音頻電磁測(cè)深探測(cè)成果圖分析，試驗(yàn)區(qū)主要存在5個(gè)高程段的高阻異常，推測(cè)為采空區(qū)或巷道，分別為：

第一高程段，位于淺部的640～660 m標(biāo)高，埋深12～35 m左右，推測(cè)以采空區(qū)為主，但不同高程存在巷道；

第二高程段,位于中、淺部的620～640 m標(biāo)高，埋深30～52 m左右， 1～8線不同部位都有存在，有兩個(gè)比較明顯的區(qū)域，一是1線的0～4號(hào)測(cè)點(diǎn)封閉區(qū)域，二是 2～5線的5～8號(hào)測(cè)點(diǎn)以及6號(hào)測(cè)線的4～6號(hào)測(cè)點(diǎn)，投影推斷以采空區(qū)為主；

第三高程段, 585～640 m標(biāo)高，埋深30～35 m, 位于6～8線的大號(hào)點(diǎn)端部，分別是6線的3.5～7.5號(hào)點(diǎn)，7線的3.5號(hào)點(diǎn)以北和8線的4號(hào)點(diǎn)以北，從6～8線大號(hào)點(diǎn)的異常形態(tài)看，異常未封閉，推測(cè)該異常為采空區(qū)的反映，該采空區(qū)規(guī)模較大，異常區(qū)僅為采空區(qū)的一部分，測(cè)線未到采空區(qū)邊界，采空區(qū)往東南及東方向延伸，推測(cè)該區(qū)為一個(gè)未到邊界的大型采空區(qū)；

第四高程段,570～600 m標(biāo)高，位于2～5號(hào)線的6～9號(hào)點(diǎn)和6～8號(hào)線的3.5號(hào)線以北，推測(cè)該區(qū)以巷道為主，有采空區(qū)存在，推測(cè)6～8號(hào)線的3.5號(hào)線以北主要為采空區(qū)；

第五高程段,490～540 m標(biāo)高，位于1線的0～4號(hào)點(diǎn)以及2～5號(hào)測(cè)線的6～10號(hào)之間,推測(cè)以巷道為主，但有采空區(qū)存在。

(4) 對(duì)比各探測(cè)線的音頻電磁測(cè)深和地面五極縱軸激電測(cè)深斷面圖，發(fā)現(xiàn)2種方法的異常位置不完全吻合。造成這種結(jié)果的原因是受露天邊坡的影響，地面五極縱軸激電測(cè)深無(wú)法按規(guī)范準(zhǔn)確布極，導(dǎo)致測(cè)量電極距誤差，部分測(cè)線探測(cè)深度也未達(dá)到50 m埋深。

(5) 由于物探存在邊界效應(yīng)，邊界異常往往可靠性大大降低，要達(dá)到比較理想的效果，其測(cè)線長(zhǎng)度與探測(cè)深度必須達(dá)到一個(gè)合理的比例，一般要求測(cè)線長(zhǎng)度是探測(cè)深度的2倍，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，難以實(shí)現(xiàn)。從而導(dǎo)致測(cè)線兩端的異常分析存在誤差。

(6) 從各條音頻電磁測(cè)深斷面圖可以看出，淺部高阻異常不多，分析有兩種可能：一是該區(qū)淺部實(shí)際采空區(qū)不多，二是本次音頻電磁測(cè)深未采用人工發(fā)射源，因部分頻段缺失，導(dǎo)致部分淺部采空區(qū)未被測(cè)到。

(7) 由于采空區(qū)大小相對(duì)礦層或礦化巖體，規(guī)模較小，測(cè)區(qū)巖體或礦層普遍高極化，五極測(cè)深的不連續(xù)數(shù)據(jù)采集使細(xì)小采空區(qū)和巷道的低極化反應(yīng)不明顯，所以，無(wú)法從地面五極縱軸激電測(cè)深的極化率參數(shù)判斷采空區(qū)和巷道的存在。

(8) 從各探測(cè)線視電阻率等值線斷面圖看，各測(cè)線中部不同程度的出現(xiàn)近似垂直的條帶狀相對(duì)高阻，分析可能是平面位置大致相同，不同高程都存在巷道；或者存在上下連通的采空區(qū)、斜井、豎井、采礦溜槽等無(wú)水空間；或者上下空區(qū)之間巖體相對(duì)較松動(dòng)。

4.2 探測(cè)成果與實(shí)際空區(qū)(巷道)大小誤差分析

探測(cè)結(jié)果有以下規(guī)律：

(1) 圈出的異常范圍和大小與實(shí)際采空區(qū)和巷道位置基本吻合，圈出的異常范圍和大小比實(shí)際采空區(qū)略小；

(2) 淺部密集的小型空區(qū)或巷道在探測(cè)斷面圖上反映為連續(xù)的異常區(qū)，推測(cè)可能是因?yàn)辄c(diǎn)距和線距(10 m)太大造成；

(3) 圈出的中部異常范圍和大小與中部實(shí)際采空區(qū)位置和大小吻合良好;

(4) 綜合分析估計(jì)誤差在10 m左右。

5 結(jié) 論

(1) 本次探測(cè)成果僅限于試驗(yàn)區(qū)探測(cè)范圍內(nèi)(1X-8X)672 m標(biāo)高以下的區(qū)域。

(2) 從音頻測(cè)深的斷面成果圖可以看出，高阻異常明顯，認(rèn)為音頻電磁測(cè)深法在大寶山礦區(qū)探測(cè)采空區(qū)有效，可為本礦的采空區(qū)治理提供較可靠的依據(jù)。建議應(yīng)用時(shí)增加人工發(fā)射源，彌補(bǔ)天然電磁場(chǎng)缺失的部分高頻段，以便更詳細(xì)的查明淺部采空區(qū)分布情況。

(3) 由于地形、地層及地面五極縱軸激電測(cè)深工作原理限制，高密度的邊坡陡坎無(wú)法準(zhǔn)確的布置測(cè)量電極。從地面五極縱軸激電測(cè)深的視極化率和視電阻率等值線斷面圖可以看出，出現(xiàn)相對(duì)高電阻率的對(duì)應(yīng)區(qū)域并未出現(xiàn)低極化，因此，本礦露采區(qū)不宜采用地面五極縱軸激電測(cè)深。

(4) 根據(jù)各條測(cè)線的音頻電測(cè)測(cè)深斷面成果，試驗(yàn)區(qū)存在較多采空區(qū)和巷道，主要分布在5個(gè)標(biāo)高段。

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2014￣09￣29)

陳學(xué)軍(1978-)，男，寧夏人，采礦工程師，主要從事礦山安全管理工作，Email: 55661339@qq.com。