空氣型采空區的地球物理異常理論識別模型分析

張忠海，王 潤，郭 凱，曹 洋

（1.鞍鋼集團礦業有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000；2.東北大學，遼寧 沈陽 110819）

近年來，在經濟利益的驅使下，各類礦產資源的開采范圍和規模不斷擴大。然而由于礦區的歷史遺留問題或開采方式不當、后期處理不完善等原因，往往在礦山內形成了多處隱伏采空區。采空區作為最嚴重的礦山地質災害之一，其存在打破了原有的應力平衡，易引起地面沉陷、地表裂縫等嚴重的地質災害，對礦山的安全生產構成了嚴重的威脅[1]。因而對采空區精準探測技術方法進行研究，是保障礦山生產安全的重要措施，具有重大的經濟效益和社會效益。

現今國內外采空區的探測主要以對采礦情況的調查為出發點，通過地球物理勘探、工程鉆探、水文測試、變形觀測等手段對采空區進行探測[2，3]。高密電阻率法作為電法勘探的一種，在采空區探測中廣泛使用，并取得了良好的應用效果。對于采空區來說，其規模大小、空間分布位置以及充填介質均對其異常特征的識別存在影響。因此，本文采用正演模擬方法對空氣型采空區的地球物理異常理論識別模型進行分析。

1 高密電阻率法采空區探測基本原理

高密度電阻率法簡稱HDRM，其在原理上與常規電阻率方法完全相同，是以巖（礦）石之間的電性差異為基礎，通過觀測和研究與這種電性差異有關的電場分布特征和變化規律，以此來探明地下地質體的分布情況[4，5]。高密度電阻率法探測裝置類型較多[6]，包括溫納裝置、偶極裝置、微分裝置、二極裝置、四極裝置、單邊三極裝置、斯龍貝格裝置等[7]。上述裝置均可應用于數據采集工作，但由于探測區域地形、地質特征、地球物理特征、人為因素等條件限制，在野外工作時應根據實際情況選擇合適的裝置類型進行探測，確保數據采集的準確性。本文選用采空區高密度電阻率法探測中常用的溫納裝置進行研究分析。

對于溫納裝置，其裝置系數K=2na，MN=AM=NB=na（A、B為供電電極，M、N為測量電極，n為隔離系數，a為電極極距）。測量時，MN=AM=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著MN、AM、NB增大一個電極間距，逐點依次向右移動，得出另一條剖面線；這樣不斷的掃描下去，最后得到倒梯形的電阻率剖面圖[8]。

2 空氣型采空區地球物理異常理論識別模型

建立空氣型采空區地球物理異常理論識別模型，并采用溫納裝置進行分析。空氣為不導電的絕緣體，顯示為高阻特征，對空氣型采空區電阻率設定為10000Ωm；對模型背景電阻率設定為300Ωm，保證采空區與賦存位置周邊圍巖之間具有明顯的電阻率差異，以進行空氣型采空區的理論識別模型相關研究。同時，設定電極數為60，電極間距為5m。設定采空區為邊長b=15m的正方體，水平范圍在145m～160m之間，采空區初始埋深為h=15m，并根據h:b=1:1、2:1、3:1、4:1的比值關系逐漸增大采空區埋深，模型如圖1（e）所示。利用RES2DMOD軟件對空氣型采空區地球物理異常理論識別模型進行正演計算，計算結果如圖1所示。

圖1 空氣型采空區地球物理異常理論識別模型

3 空氣型采空區地球物理異常分析

根據計算結果，在溫納裝置電阻率剖面圖上，從上而下采空區埋深（h）：采空區邊長（b）分別為1:1、2:1、3:1和4:1，空氣型采空區顯示為高阻異常特征，且當在電極間距、采空區規模、采空區與賦存位置周邊圍巖之間電阻率差值不變的情況下，在不同埋深情況下對同一采空區顯示不同的高阻異常特征。

（1）當h:b=1:1時，即采空區埋深為15m，計算結果如圖1（a）所示。在電阻率剖面圖上可識別出明顯的高阻異常特征；并以電阻率最高值的等值線圈定采空區，采空區位于水平范圍137.5m～167.5m之間，垂向范圍10.5m～20.5m之間，其高阻異常顯示范圍與模型采空區設定范圍基本吻合，對空氣型采空區模擬效果明顯。

（2）當h:b=2:1時，即采空區埋深為30m，計算結果如圖1（b）所示。在電阻率剖面圖上可識別出小部分高阻異常特征；并以電阻率最高值的等值線圈定采空區，采空區位于水平范圍120m～180m之間，頂板埋深為33m，無法識別出采空區具體形狀及其底部邊界范圍，對空氣型采空區模擬效果變差。

（3）當h:b=3:1時，即采空區埋深為45m，計算結果如圖1（c）所示。在電阻率剖面圖上僅可識別出小部分次高阻異常特征；并無法以電阻率最高值的等值線對采空區進行圈定，無法識別出采空區具體形狀及其分布范圍，對空氣型采空區模擬效果已經失真。

（4）當h:b=4:1時，即采空區埋深為60m，計算結果如圖1（d）所示。在電阻率剖面圖上無高阻異常特征顯示，電性反映均勻，表現為地下均勻地質體特征。空氣型采空區探測模型已超出有效探測深度范圍，未探測到采空區。

綜上所述，在溫納裝置上，空氣型采空區顯示為高阻異常特征，且在有效探測深度范圍內高阻異常特征顯示明顯。當h:b=1:1時，模擬效果較好，可準確識別出采空區具體位置及其分布范圍；隨著比例系數的逐漸增大，采空區埋深逐漸加深，對采空區的分辨率逐漸降低，采空區在水平方向上異常顯示范圍逐漸擴大，同時，無法準確識別出采空區底部邊界范圍；當h:b=4:1時，采空區埋深超出有效探測深度范圍，無法識別出采空區，顯示為地下均勻地質體特征。

4 結論

（1）通過對采空區地球物理異常理論識別模型進行正演模擬計算，在溫納裝置上模擬效果明顯，空氣型采空區顯示為高阻異常特征，且在不同埋深范圍內的采空區均具有明顯的電阻率異常響應。

（2）根據模擬結果可知，在采空區邊長不變的情況下，隨著比例系數的逐漸增大，采空區埋深逐漸加深，對采空區的分辨率逐漸降低。

（3）根據模擬結果可知，對于空氣型采空區，在有效探測深度范圍內時，可準確識別出采空區具體形狀及其分布范圍；當采空區埋深超出有效探測深度范圍內時，已無法識別出采空區。