章丘粘土礦采空區探測的地球物理法應用

鄭志宏 尹桂博

摘 要：山東章丘地區由于長年累月的開采礦資源，造成了大面積采空區的形成，不僅嚴重影響了工農業的正常生產，還阻礙了當地經濟的快速發展，為了解決這一問題，現針對工區地質及地球物理特征，利用高密度電法相關裝置，根據等值現斷面圖相關參數，完成對粘土礦采空區的異常特征進行全面比較，比較結果表明：通過將高密度電法相關裝置與三極裝置進行充分結合，不僅可以精確反映出采空區的實際位置以及采空區的大致空間形態，還能實現對采空區的準確探測。總之，通過將高密度電法與可控源音頻大地電磁法進行充分結合，極大地提高粘土礦采空區探測結果的準確性和真實性，使得地球物理法科學應用于地質災害調查和治理領域中，為促進社會的和諧穩定發展打下堅實的基礎。

關鍵詞：高密度電法;可控源音頻大地電磁法;粘土礦采空區;山東章丘

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0140-04

Abstract：Due to years of mining resources in Zhangqiu area， Shandong Province， a large area of mined out area has been formed， which not only seriously affects the normal production of industry and agriculture， but also hinders the rapid development of local economy. In order to solve this problem， according to the geological and geophysical characteristics of the work area， the high-density electrical method is used to complete the construction according to the relevant parameters of the equivalent current section map The results show that： by fully combining the high-density electrical method device with the three pole device， it can not only accurately reflect the actual location of the goaf and the general spatial shape of the goaf， but also realize the accurate detection of the goaf. In a word， through the full combination of high-density electrical method and controlled source audio magnetotelluric method， the accuracy and authenticity of clay mine goaf detection results can be greatly improved， so that geophysical method can be applied to the field of geological disaster investigation and management， and lay a solid foundation for promoting the harmonious and stable development of society.

Key words：high density electrical method; controlled source audio frequency magnetotelluric method; clay mine goaf; Zhangqiu， Shandong Province

在我國國民經濟水平的不斷提高下，工業和農業生產規模不斷增大，這無疑增加了對礦產資源的需求量，在這樣的背景下，我國對礦產資源的開采量日益遞增。目前，山東章丘出現大面積采空區，盡管對該地區進行回填處理，但是回填效果無法達到預期目標，仍然對工農業生產造成了嚴重的影響，為了科學探測粘土礦采空區位置，解決大面積采空區問題，如何將地球物理法科學應用于章丘粘土礦采空區探測領域中是相關人員必須思考和解決的問題。

1 工區地質及地球物理特征

該工作區的厚度達到了20m左右，四周的巖石內部組成部分主要以粘土、粉質粘土為主，部分地表電阻率較低，通常為20Ω·m左右，工作區以下屬于二疊系，其厚度相對較高，達到了30m左右，其巖性內部主要組成部分以砂巖和泥巖為主[1]，其中，砂巖電阻率比較高僅達到了30Ω·m左右，泥巖電阻率相對較低，達到了30Ω·m蒙皮殼單元左右。該偵探區所對應的區域屬于粘土礦采空區，經過長期的滲透風化后，地表層內部結構遭到了極大的破壞，導致采空區出現塌陷問題，為了解決這一問題，現將地球物理法應用于章丘粘土礦采空區探測中，以實現對采空區的有效保護。

2 章丘粘土礦采空區地球物理特性

站在物理角度，對采空區所處的地質條件以及物理特性進行分析，得出以下幾個采空區地球物理特性。

（1）當山東章丘形成大面積的采空區后，該區域的電阻率會呈現出不斷增長的趨勢，從而形成具有高電阻體的采空區，使得該區域四周的巖性出現較大的差異，此時，需要采用地球物理法，對采空區的物體特性進行研究，發現該地區具有良好的物理條件，當采空區的塌陷問題解決后，該區域的電阻率會呈現出不斷下降趨勢。與多金屬礦體相比，通過使用高密度電法，對采空區進行填充處理后，發現采空區的探測難度不斷增大。

（2）礦產資源通常具有良好的導電性能，因此，在使用高密度電法對其進行測試時，需要保證巖體具有良好的導電性，只有這樣，才能保證采空區的探測結果的準確性和真實性。

（3）當山東章丘采空區經過開采和挖掘后，該區域的土地質量會出現虧損現象，導致采空區出現塌陷問題，使得采空區一直處于不充水狀態，此時，采空區的質量虧損值一直保持不變，但是負密度值卻大幅度下降，進而嚴重影響了采空區的厚度值，當采空區進入到充水狀態后，發現虧損質量得以有效改善。

3 勘查技術方法及效果比較

3.1 工作布置

在這一環節中，相關人員要根據地質資料，做好對采空區情況以及施工現場條件的大致了解，同時，還要采用高密度電法開展相關工作[2]，當重點偵查區被全面檢查完畢后，可以進入到可控源音頻大地電磁環節中，然后，還要將地球物理法測網的長寬分別設置為20m、5m，并使用11條測線，確保所檢測的剖面長度達到3050m。此外，還要將可控源音頻大地電磁法測網的長寬分別設置為20m、10m，當兩種方法所檢測到的測線發生重合現象后[3]，完成對8條測線的布設工作，此時，將剖面長度控制在1459m以上，利用RTK實測軟件，得到采空區的具體位置。同時，還要使用瞬變電磁儀器，采用瞬變電磁法，完成對章丘粘土礦采空區探測結果的精確測量，瞬變電磁法技術參數選定如表1所示。

高密度電法測量結果如圖1所示。 從圖中可以看出， 300m×300m框符合本區工作開展需求。

3.2 高密度電法

3.2.1 高密度電法原理及優點

高密度電法作為一種常用的地球物理法，主要用于對被測目標體育周圍介質之間導電性能的偵探。當采用人工方式對地下的直流電場進行加載處理時，需要使用事先設置好的電極系，完成對該區域電場分布情況的觀測。這種方法具有自動化控制水平高、采集信息量大成本地、便捷高效等優點，被廣泛地應用于采空區探測領域中，為進一步提高采空區的探測結果的準確性和真實性創造良好的條件。

3.2.2 裝置選擇

在對裝置進行選擇的過程中，相關人員要嚴格遵循裝置操作簡單、使用成本低、經濟適用等原則，選出合適的裝置。此外，為了精確地分析和對比多種裝置對采空區異常特征的影響，相關人員要針對現場施工相關條件，選出以下3種裝置，分別是溫納裝置、施貝裝置和三極裝置，并將各個裝置之間的間距控制在5m以上。

3.2.3 不同裝置斷面圖比較

溫納裝置、施貝裝置和三極裝置所對應的等值線斷面圖形態基本保持一致，但是，在粘土礦采空區內，這3種裝置所對應的采空區低阻異常能力卻出現力極大的差異[4]。其中，溫納裝置所對應的電阻率等值線呈現出比較平緩的變化趨勢，對于低阻體而言，往往呈現出靈敏度差、分辨率差等問題，因此，不符合探測小面積采空區相關標準和要求。施貝裝置所對應的電阻率等值線呈現出比較變化趨勢比較明顯[5]，對于低阻體而言，往往表現出靈敏度強、分辨率高等特點，因此，該裝置符合小面積采空區的探測相關標準和要求。三極裝置所對應的電阻率等值線與溫納裝置比較類似，對于低阻體而言，具有相對較高的靈敏度和分辨率，符合小面積采空區探測相關需求。

3.3 可控源音頻大地電磁法

3.3.1 可控源音頻大地電磁法原理及優點

可控源音頻大地電磁法作為一種常用的電磁法，主要借助人工控制的方式，對場源的實際頻率值進行測定，這種人工場源測定法可以有效地突破場源信號弱等弊端，不僅可以實習對電磁場相關參數的科學調整和控制，還能保證電磁波傳輸效率，為實現對采空區頻率值的精確探測產生積極的影響。該方法具有操作效率高、操作效果顯著、抗干擾能力強等特點，可以增大采空區深度偵探范圍，采空區深度偵探范圍通常在2～3km之間，水平方向所對應的分辨能力較高，為實現對采空區的立體觀測，進一步提高采空區探測結果的準確性發揮出重要作用。因此，相關人員要重視對可控源音頻大地電磁法的應用，只有這樣，才能確保采空區探測工作能夠正常、穩定、有序地開展。

3.3.2 可控源音頻大地電磁法具體應用

在可控源音頻大地電磁法應用下，所得到的等值線斷面圖信息如下：反演深度范圍在29～99m之間，變化趨勢比較明顯的低阻區域達到了3處，這3處的剖面長度范圍分別為49～84m、110～139m、161～176m，其中，在49～84m范圍內，所對應的低阻變化趨勢最為明顯[6]，等值線斷面圖呈現出“V”字形，由此可見，當反演深度在29～99m之間時，會形成大面積的采空區，在110～139m范圍或者161～176m范圍內，反演深度在39～99m之間所形成等值線斷面圖會呈現出“U”字形狀。

3.4 高密度電法與可控源音頻大地電磁法異常比較

通過將3線高密度電法所對應的等值線斷面圖與可控源音頻大地電磁法二維反演所對應的等值線斷面圖進行對比，發現在兩種不同方法下，均可以精確地反映出剖面比較突出的低阻異常問題。對于高密度電法而言，當剖面長度在49～84m之間時，可以真實地反映出比較完整的異常問題，如低阻“V”型異常問題和低阻“V”型異常問題，對于可控源音頻大地電磁法而言，其二維反演所對應等值線斷面圖出現的異常問題，通常在深度和寬度兩個方面所呈現的變化趨勢更為明顯，與高密度電法所對應的異常問題相比較而言，第二個異常問題較為突出，但是，從深度和空間兩個方面上分析，發現可控源音頻大地電磁法所反映的突出問題往往比較直觀、形象。總而言之，無論是高密度電法，還是可控源音頻大地電磁法，在具體的應用中，均可以精確地反映出低阻異常問題所對應的實際位置，為精確地顯示采空區的實際空間形態提供重要的依據和參考。

3.5 物探推斷成果

當山東章丘形成的采空區面積較大時，整個采空區區域會形成3塊比較大的區域，發現采空區所對應的垂向深度信息如下，頂部埋入深度在29～37m之間，底部埋入深度在47～79m之間，同時，整個采空區埋深高度由北向南不斷加深[7]。

4 鉆探驗證

根據最終的地球物理法推斷結果，將驗證孔布置為3個，其中一個驗證孔被推測為無粘土采空區，其孔號為K1，另外兩個驗證孔被推測為有粘土采空區，其孔號分別為K2、K3。其中，K1孔主要位于高密度電法剖面119m位置處，通過利用地球物理法，所對采空區的深度進行檢測，發現其深度范圍在33～79m之間，經過鉆探驗證后，發現3段采空區，這三段采空區長度范圍分別為36.69～42.00m、43.19～46.69m、70.00～73.00m，最終鉆探孔深度達到了103m，與地球物理法所得到的鉆探驗證結果基本吻合[8]。K2孔主要位于7線位置處，所對應的地球物理法剖面長度達到了142m，地球物理法所推測的采空區深度范圍在34m～72m之間，經過鉆探驗證后，發現3段采空區，這三段采空區長度范圍分別為36.19～40.12m、46.00～51.00m、62.00～67.32m，最終鉆探孔深度達到了101.39m，與地球物理法所得到的鉆探驗證結果基本吻合。K3孔主要位于5線位置處，所對應的地球物理法剖面長度達到了192m，地球物理法所檢測的位置不存在任何采空區，經過鉆探驗證后，在采空區的31.39～32.35m深度范圍內所達到的采空回填土深度達到了0.79m，此時，孔鉆最終深度達到了100.62m，與，與地球物理法所得到的鉆探驗證結果基本吻合。

5 結語

綜上所述，通過將地球物理法應用于章丘粘土礦采空區探測領域中，得到以下結論：

（1）通過將高密度電法與大地電磁閥進行充分結合，不僅可以起到優勢互補的作用，還能快速精確地計算和推斷出粘土礦采空區的實際空間位置。

（2）在高密度電法應用下為了保證采空區探測結果的準確性和真實性，相關人員除了要選擇合適的探測裝置外，還要在保證實驗剖面成果的前提下，選出3種常用常用裝置，以實現對粘土礦采空區異常形態的科學測量，然后，根據相關資料，精確推斷出采空區實際狀態。

（3）利用可控源音頻大地電磁法對采空區進行探測的過程中，要科學控制和調整探測網相關參數，同時，還要將測網埋藏深度控制在100m以下，只有這樣，才能精確地得到采空區的真實空間形態。

（4）對于粘土礦采空區而言，其周圍巖石出現低阻值問題時，相關人員要充分考慮采空區的實際位置，并分析和解決等值線斷面圖出現的低阻值異常問題。

參考文獻

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