井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術研究

田迎春

（鞍鋼集團礦業(yè)弓長嶺有限公司井采分公司，遼寧 遼陽 111007）

鐵礦石資源作為一種人類最早開發(fā)利用的金屬礦產(chǎn)資源之一，在不同的歷史時期進行了不同程度的開發(fā)利用，特別是隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高，逐漸由散亂小的井采和坑采轉變?yōu)榇笠?guī)模露天開采和井下開采[1]，尤其隨著近幾年環(huán)境保護的迫切需求，大規(guī)模井下開采將成為未來礦產(chǎn)資源的主要開發(fā)利用形式。但這種大規(guī)模的井下開采不同于傳統(tǒng)意義的井下開采，是高度機械化、智能化和規(guī)模化的綠色開采方式，涉及到對整合開發(fā)前期無序井下開采方式留下的采空區(qū)安全處理[2]。由于此類采空區(qū)處于潛水面以下，基本都充滿水，危險性大，無法實地進入測量[3]，且在開采過程中易誘發(fā)涌水和突水等災害，迫切需要運用一種非接觸且穿透性強的探測技術手段進行充水型采空區(qū)探測。

而充水型采空區(qū)具有低電阻率的特征，可簡化為一種典型的低電阻率地球物理異常體，則綠色無損的地球物理勘探技術手段便是其首選，國內(nèi)外優(yōu)選的地球探測技術方法為瞬變電磁法，充分利用了其對低阻體的敏感性技術特征。為此，本文以井下鐵礦充水型采空區(qū)為研究對象，基于瞬變電磁法的探測技術原理，采用澳大利亞最新研發(fā)的TerraTEM為地球物理探測應用研究數(shù)據(jù)采集設備，開展井下鐵礦充水型采空區(qū)的現(xiàn)場探測技術應用試驗研究。

1 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術基本原理

瞬變電磁法是電磁法的一種，具體屬于時間域電磁法，簡稱TEM，也是近幾年快速發(fā)展起來的一種高精度地球物理探測技術方法。在探測原理上，瞬變電磁法主要利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，在一次磁場的激勵下，地下導體內(nèi)部受感應產(chǎn)生渦旋電流，在一次脈沖磁場的間隙期間，渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場不會隨一次場的消失而立即消失，此時利用線圈或接地電極觀測二次磁場，主要測量二次磁場產(chǎn)生的感應電動勢V與時間t的變化關系，得到二次場隨時間衰減變化的特性曲線，再把發(fā)射電流歸一化后成為V（t）/I特性曲線，從而確定地下導體的電性分布和空間形態(tài)。值得一提的是發(fā)射磁場產(chǎn)生的渦旋電流呈環(huán)狀隨時間向外和向深部擴散，此等效電流好像是從發(fā)射線圈中吹出來的“煙圈”，該過程又被地球物理學家形象的稱之為“煙圈效應”。

2 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術方法

本文中的瞬變電磁法探測設備采用澳大利亞進口的TerraTEM，該設備數(shù)據(jù)采集可以設置更多的時間門窗口區(qū)間（70個～140個），在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)信息采集分辨率高，外加配置快速增強的關斷時間裝置，可以采集淺層探測數(shù)據(jù)，減小淺部探測盲區(qū)的存在（圖1）[3]。

根據(jù)不同的場地條件和探測深度要求，采空區(qū)探測裝置主要采用多匝的重疊小回線裝置（5匝～50匝），回線線圈邊長在2m～8m之間變化，發(fā)射線圈電流可控制在3A～6A，關斷時間隨線圈匝數(shù)在0.10ms～0.90ms，并可以在8次～512次疊加中壓制外部干擾，特別適合在人文干擾復雜區(qū)開展探測工作，這也是時間域瞬變電磁法的一個探測技術優(yōu)勢。而對于采集到的瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)，主要通過數(shù)據(jù)整理、預處理、視電阻率轉換和時深轉換，最后繪制視電阻率等值線剖面圖，結合礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)和物性等資料進行分析研究和解譯，同時開展相應的驗證工作，修改完善和提高探測目標區(qū)的地球物理探測精準度。

3 探測應用研究區(qū)概況

充水型采空區(qū)探測應用研究區(qū)位于我國著名的鐵礦產(chǎn)區(qū)-鞍本地區(qū)，該區(qū)為典型的鞍山式富鐵礦床，又稱BIF型富鐵礦床，其賦礦地層主要為太古界鞍山群茨溝組，茨溝組為變質(zhì)巖系，其由老到新分別為下部角閃巖層、下含鐵層、中部鈉長變粒巖、上含鐵層和硅質(zhì)巖層組成。在研究區(qū)地表以下一定深度空間內(nèi)存在采富棄貧遺留的老舊采空區(qū)，也存在以前無序開采和濫采濫挖形成的采空區(qū)。由于處在地下潛水面以下而處于充滿水狀態(tài)，容易造成各類涌水和突水災害事故。

4 充水型采空區(qū)探測實例研究

4.1 充水型采空區(qū)探測技術裝置和參數(shù)設定

據(jù)零星的已知資料推斷，該區(qū)采空區(qū)埋深在100m左右，不同于淺部60m以內(nèi)的采空區(qū)探測。因此，為了達到探測深度和精度，采用發(fā)射回線匝數(shù)在20匝以上，接收回線匝數(shù)在10匝以上，而回線線圈邊長采用4m。發(fā)射電流控制在5A，采用了256次數(shù)據(jù)測量疊加消除外部數(shù)據(jù)干擾，同時設置50Hz工頻干擾濾波，壓制和消除各類工頻電磁干擾。數(shù)據(jù)采集時間點窗口設定為89個，可以滿足該深度內(nèi)的探測要求。

圖1 井下鐵礦充水型采空區(qū)瞬變電磁法探測裝置示意圖

4.2 充水型采空區(qū)探測數(shù)據(jù)采集與處理

本次探測應用研究共采集了47個數(shù)據(jù)點，獲取數(shù)據(jù)點的測線長達180m以上。對于采集到的充水型采空區(qū)的瞬變電磁法數(shù)據(jù)，主要采用以下的數(shù)據(jù)處理流程：第1步，導出探測數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)預處理，剔除數(shù)據(jù)異常點，剪切和數(shù)據(jù)濾波增強處理，消除各類因素導致的數(shù)據(jù)畸變；第2步，根據(jù)充水型采空區(qū)的地電特征，建立反演模型；第3步，對探測處理數(shù)據(jù)進行視電阻率反演計算和時間－深度轉換，繪制視電阻率值的剖面圖件；第4步，結合探測區(qū)已有各類數(shù)據(jù)資料，進行地電異常解譯（圖2）。

4.3 充水型采空區(qū)探測解譯與成果驗證

本文的充水型采空區(qū)探測成果見圖2，共圈出4處地球物理異常區(qū)，埋深在80m～120m之間。其中第1處異常區(qū)和第2處異常區(qū)為已知存在的巷道式充水型采空區(qū)，說明了本次探測試驗成果的有效性。對于未知的第3處和第4處的低阻異常區(qū)，結合已知探測研究區(qū)的零散礦體分布規(guī)律資料和有關的地質(zhì)-地球物理異常研究成果，可推測為充水型采空區(qū)。其中第3處已經(jīng)鉆探驗證，在100m深度出現(xiàn)充滿水的巷道式采空區(qū)，可對礦山隱患災害點提前預警。第4處采空區(qū)異常因場地原因需做進一步的工作。

研究表明明瞬變電磁法可以進行井下鐵礦的隱伏充水型采空區(qū)的探測，可為井下鐵礦山的安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)成果和安全技術支撐。

5 結論

（1）井下鐵礦充水型采空區(qū)可以采用瞬變電磁法進行非接觸無損的精準探測，可對礦山隱伏災害點探測預警。

（2）依據(jù)不同埋深的探測目標體，瞬變電磁法可以采用多匝重疊小回線裝置提高探測精度和深度，識別小規(guī)模、大深度的采空區(qū)。

圖2 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測成果圖