基于高密度電阻率法的露天鐵礦陡立型鐵礦體內不明采空區探測技術研究

王永增，張忠海，曹 洋，王 潤

（鞍鋼集團礦業有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000）

一部人類文明史，也就是人類資源開發的歷史,簡言之人類社會的進步與發展離不開對礦產資源的開發與利用。而在礦產資源的開發利用中, 由于一定時期內無序開采，給地表以下一定空間內遺留大量的不明采空區，給后期的礦山開采，特別是露天開采帶來極大危害。特別是相對于礦產資源的井下開采，露天開采具有開采量大、礦石回收率高、生產安全、效益高和成本低等優點[1]。基于此，國內外許多金屬礦山均采用了露天開采模式，尤其是在鐵礦資源領域。但由于歷史原因，很多露天鐵礦是由散亂小的分區、分塊和分段井采和露采統一為整體大型露天開采[2-4]。此類露天鐵礦采場內不可避免的存在大量采空區，加上轉換開采過程中已知空區資料的缺失和開采擾動導致空區的變形和“移位”，外加特定歷史時期無序開采形成的不明采空區，它們時刻威脅露天礦山生產安全，輕則造成機器設備損壞，重則造成人員生命財產損失。因此，一直以來，露天鐵礦非常重視采空區探測和治理工作，保障了礦山的生產安全，與此同時也取得了不少研究成果，尤其是在采空區的地質-地球物理探測技術應用研究方面[5]。

但是，以往的研究多集中于緩傾地質體內不明采空區的探測技術研究，而對于BIF 型鐵礦中陡立型鐵礦體內的采空區探測則是一個研究空白，急需開展相關探測技術研究。當前，準確識別和定位陡立型鐵礦體內的不明采空區則是露天采礦活動中必須面臨的一個新安全生產難題。基于此種趨勢認識，本文以露天采礦歷史悠久的鞍本地區BIF 型鐵礦為研究對象，選取典型的露天鐵礦陡立型鐵礦體內的采空區開展探測應用研究，探索出一套應用高密度電阻率法探測陡立型鐵礦體內采空區的技術方法，以準確識別和定位采空區的埋深位置和規模大小，這對露天采場安全生產具有重要的現實實用和長遠開發意義。

1 露天鐵礦采空區探測技術理論基礎

相對比于傳統的鉆探法進行采空區探測，地球物理方法探測采空區具有經濟、高效、無損、探測范圍大和應用靈活等優點，且克服了鉆探的破壞性探測和“一孔之見”的缺點，尤其是其中的高密度電阻率法，可以形成快捷高效的地質CT 采空區探測技術體系。

高密度電阻率法（HDRM）是集電測深法和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合物探方法，它可以實現一次測量電極布極，就可對同一目標體進行多裝置、多參數的多次數據采集工作。而它的基本原理與常規電阻率法一樣，仍是以巖礦石的電性差異為基礎，基于穩定電流場分布理論，通過研究人工建立的地下穩定電場的分布規律來解決礦產資源、環境和工程地質問題。其實質上是一種陣列勘探方法，利用電極數量大，且不同電極之間可以自由組合，以提取豐富的地電信息。在實際探測工作中，只需要把全部電極布置于測點上，然后利用微機工程電測儀和程控電極轉換開關來實現數據的快速和自動采集，同時可以對電極接地情況自動檢查，并控制測量裝置形式變化、極距大小變化及測點位置滾動，自動完成各測點的多極距、多裝置形式數據采集工作[6]。每次測量數據實時存儲在測量主機上，并可通過數據線傳輸到計算機中，用專門處理軟件開展數據格式轉換、數據預處理、數據反演處理、數據成圖和數據解譯。

2 露天鐵礦采空區探測技術與裝置

露天鐵礦采場地質和人文環境條件復雜，是自然地質異常和人文活動疊加異常的集中區域，干擾影響因素較多。為此，露天鐵礦采場內的高密度電阻率法探測采空區主要采用四極裝置（圖1）（AMNB 裝置，AB 極供電，MN 極測量）[5]，具體為溫納裝置，其具有較高的作業效率和抗干擾能力。

高密度電阻率法在采空區探測過程中，測線垂直目標體布設，并根據場地大小而采用多電極同時布設，由電腦控制多極滾動測量和實時數據采集。為了保證探測精度和深度，不遺漏采空區，本次采用2m ～3m 電極極距，同時依據接地電阻大小使供電電壓在200V ～400V 之間，保證測點最深處測量電位差和電流均高于10mV 和10mA，以確保測點處所獲空間位置的測量電阻率真實可靠。而對于獲取的原始測量數據，系統處理后進行數據反演，反演結果繪制成電阻率剖面圖。

圖1 高密度電阻率法探測示意圖

3 探測技術研究地質-地球物理特征

本文探測應用研究區位于鞍本BIF 型鐵礦聚集區，為區內典型的露天開采富鐵礦床。其內鐵礦體陡立厚大呈近SN 向分布，平均厚度在200m，延深大于800m。由于是富鐵礦，所遺留采空區基本為日偽時期采富棄貧形成的空場型老舊采空區，同時也不可避免的存在一些礦產資源整合開發以前無序開采和偷采濫挖形成的無序采空區，但基本均在采場內富磁鐵礦區段中。值得一提的是在開采擾動下，個別采空區逐步失穩和坍塌，地表形成塌陷小坑和地裂縫，逐漸失穩的采空區給礦山的安全生產帶來極大隱患。

地球物理特征方面，礦山淺部以赤鐵礦為主，往深部逐漸變為以磁鐵礦為主，但均含有石英，導致電阻率比較高，地表原位測試電阻率在400Ω·m ～1700Ω·m 之間變化。但由于目前探測區域內采空區位于礦山潛水面以上，其內以充填空氣為主，其電阻率明顯增大，而與周圍巖礦石物性差異明顯，具備了使用高密度電阻率法探測采空區的地球物理前提條件。值得一提的是，與傳統的鉆探相比，高密度電阻率法屬于一種無損探測技術方法，屬于地質CT 技術。

4 探測技術應用實例研究

本文露天鐵礦陡立型礦體內不明采空區探測技術應用實例研究首選選在一處已知采空區裂陷區開展（圖2-A），該采空區裂陷區位于露天鐵礦一處采礦平臺上，長期的采礦爆破和運輸擾動活動致使一處空場型采空區頂板不斷減薄，并在其頂板構造發育處出現突然裂陷而出露于地表，寬度在5m 左右，并有逐漸擴大趨勢，嚴重影響采礦平臺作業安全。本著從已知到未知的探測技術原則，首先在該處進行探測技術應用研究，布設高密度電阻率法測線GMD-1，具體則以裂陷區中心為測線中心，采用3m 電極距和60 個測量電極開展數據采集工作，獲取的電性數據經系統處理和地質-地球物理解譯得到成果圖（圖2-A）。從圖2-A 可以看出，地表6m 以內為低阻，與常見的礦山地表碎石基底表現為高阻值不同，這主要是因為在探測前期，探測區有降雨過程，碎石基底區因充水而表現為低阻。除此之外，有三處明顯的高阻值區KQ-1、KQ-2 和KQ-3，其阻值均在7000Ω·m 以上，遠大于富磁鐵礦體的電阻率值，可以推測為采空區異常，即有采空區存在且內充滿空氣導致的電阻率急劇升高。對于KQ-2 則是已知的空場式采空區，KQ-1 則與之相同，且為新發現的空場式采空區。而對于KQ-3 則可推測為巷道式的采空區，鉆探驗證顯示其為高約3m 的巷道。值得一提的是采空區KQ-1 和KQ-2 頂板距離地表均在10 左右，且KQ-2 已經局部列陷出露地表，鑒于其規模比較大，急需進行安全爆破處理，防止其突然大面積塌陷造成安全事故。

在已知區進行探測的同時，作為探測技術應用的有效對比，又在一個疑似采空區分布采礦平臺進行了探測試驗，布設了高密電阻率法測線GMD-2，其結果見圖2-B。GMD-2 存在5 處明顯的高阻值異常區，其阻值也均在7000Ω·m，經過與GMD-1 測線驗證成果對比，KQ-4 和KQ-7 可以推測為巷道式采空區，而KQ-5、KQ-6 和KQ-8 可推測為采場式采空區，且3 處采場式采空區距離比較近，呈采空區群分布。目前已對KQ-6 采空區異常區進行了潛孔鉆驗證，證實其為一處采場式采空區，距離地表較近，且存在不同程度的頂板冒落現象。

上述探測應用研究成果表明，可以應用高密度電阻率法進行露天鐵礦陡立型礦體內不明采空區的探測工作，從中識別不明采空區的空間分布，后進行高效快捷的潛孔鉆驗證工作，對驗證存在的采空區進行安全爆破處理，徹底解決不明采空區存在導致的安全事故，保障礦山安全高效生產。

圖2 露天鐵礦高密度電阻率法采空區探測成果圖

5 結論

（1）探測應用研究成果表明，露天鐵礦陡立型礦體內不明采空區可以采用高密度電阻率法進行無損的精準探測，實現了對金屬礦山露天采場內隱伏致災因素的先導性無損探測預警。

（2）高密度電阻率法可以準確識別露天鐵礦采場一定深度范圍內的巷道式和采場式采空區，并在研究區新發現4 處采場式和3 處巷道式采空區，同時識別出一處采空區群異常。