高密度電阻率法在某銻礦盲采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

周水祥，李文輝

（1.湖南有色環(huán)保研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

由于前期的無(wú)序開(kāi)采導(dǎo)致礦山地表以下存在一定形態(tài)的采空區(qū)，這些采空區(qū)的存在極易引起礦山突然垮塌，嚴(yán)重影響礦山人員和設(shè)備的安全［1］。為了提前探測(cè)出礦山地表下采空區(qū)存在情況，眾多學(xué)者及技術(shù)研究人員利用各種技術(shù)方法進(jìn)行了采空區(qū)的探測(cè)及形態(tài)推測(cè)工作，并為存在隱患的采空區(qū)提出合理的解決方法［2-4］。高密度電阻率法因其一次性布設(shè)電極、可收獲豐富的斷面結(jié)構(gòu)信息、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)而被眾多研究人員所喜愛(ài)，本文以某銻礦采空區(qū)探測(cè)為試驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)行高密度電阻率法探測(cè)采空區(qū)的研究，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)情況推測(cè)采空區(qū)空間形態(tài)，為類似礦山提供一定的技術(shù)參考。

1 礦山概況

1.1 礦山概況

某銻礦于1906年發(fā)現(xiàn)即被開(kāi)采，開(kāi)始為無(wú)序民采。自20世紀(jì)90年代成規(guī)模化的開(kāi)采以來(lái)，采礦順序由淺部向深部推進(jìn)。目前該銻礦采用地下開(kāi)采，開(kāi)采礦種為銻礦、鎢礦，采用平硐＋斜井開(kāi)拓，主要采用削壁充填法、上向水平進(jìn)路充填法和淺孔留礦嗣后充填法開(kāi)采。礦山自上而下劃分為＋325m中段、＋271m中段、＋218m中段、＋185m中段、＋158m中段、＋110m中段、＋65m中段等16個(gè)中段，另有深部的-385m、-430m水平正在進(jìn)行坑探。＋325m中段以上位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，屬于原民采區(qū)域，由于年代久遠(yuǎn)，開(kāi)采信息不全，主要存在規(guī)模小、數(shù)量多、開(kāi)采深度相對(duì)較淺、地表封堵人員無(wú)法進(jìn)入、基本無(wú)圖文資料等問(wèn)題。

1.2 礦山地質(zhì)特征

該銻礦礦床處于雪峰弧形構(gòu)造帶中段轉(zhuǎn)彎處內(nèi)緣，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了雪峰、加里東、印支、燕山等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。區(qū)內(nèi)出露地層為板溪群五強(qiáng)溪組第二段的第二、第三和第四層，是一套由淺變質(zhì)的碎屑巖、凝灰質(zhì)巖組成的復(fù)理石建造。其中第二層（Ptbnw2-2）為凝灰質(zhì)板巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖；第三層（Ptbnw2-3）為石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、凝灰質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)砂巖、雜砂巖、砂質(zhì)板巖，是輝銻礦及白鎢礦最主要的賦礦層位；第四層（Ptbnw2-4）為板巖、凝灰質(zhì)板巖、凝灰?guī)r。

1.3 礦山地球物理特征

礦區(qū)近地表的第四系粘土、粉質(zhì)粘土，由于近期未降雨，整體干燥，表現(xiàn)為淺部中高電阻率特征；圍巖表現(xiàn)為低電阻率特征，即石英砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質(zhì)巖類均呈低電阻率特征；鎢銻礦化與硅化關(guān)系密切，致使其綜合電阻率表現(xiàn)為中高阻特征；由于地形坡度大，巖層產(chǎn)狀陡、巖石裂隙發(fā)育，因此淺部采空區(qū)基本無(wú)積水現(xiàn)象，由此采空區(qū)及塌陷區(qū)表現(xiàn)為高阻或特高電阻率特征。

2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是采空區(qū)、巖溶、斷裂構(gòu)造調(diào)查中的有效方法之一［5］。高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)電極向地下介質(zhì)傳送電流，根據(jù)兩電極間的測(cè)量電位差，從而求得兩電極間的視電阻率值，進(jìn)而解決滑坡面、地下溶洞、采空區(qū)等淺部工程地質(zhì)問(wèn)題。

高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)主要構(gòu)成有主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器和電極系統(tǒng)三大板塊，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)將電極布置在預(yù)先選定的測(cè)點(diǎn)處，然后主機(jī)向電極發(fā)出工作指令，電極采集到的測(cè)量電信號(hào)通過(guò)通訊設(shè)備傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存，并分析計(jì)算得到各剖面電斷面圖像。

高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

圖1 高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)布線示意圖

儀器在進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)后，按照一定的時(shí)間間隔將電極收集到的電阻率值傳輸至測(cè)量主機(jī)，然后保存至儲(chǔ)存硬盤(pán)中。數(shù)據(jù)采集完畢后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、拼接合并、排序、突變點(diǎn)剔除、濾波等的處理過(guò)程。最后對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘反演，并得到反演數(shù)據(jù)結(jié)果，并繪制視電阻率等值線斷面圖。高密度電法數(shù)據(jù)采集及處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)采集及處理流程圖

3 采空區(qū)勘查

3.1 儀器設(shè)備

根據(jù)本次工作任務(wù)，投入物探技術(shù)人員5人；儀器設(shè)備為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集全中文掌上電腦、藍(lán)牙、24位A/D、大功率控制等較為先進(jìn)的電子技術(shù)，儀器的主要技術(shù)指標(biāo)及功能領(lǐng)先于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類儀器。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)該銻礦的礦體產(chǎn)出形態(tài)、場(chǎng)地地形條件及高密度電阻物探方法技術(shù)特點(diǎn)，本次共布設(shè)高密度電阻測(cè)線5條，其中1線、2線、3線和5線地表剖面長(zhǎng)度均為445m，使用電極90根，電極距均為5m；4線地表剖面長(zhǎng)度295m，使用電極60根，電極距為5m。具體完成工作量見(jiàn)表1。

表1 某銻礦高密度電阻率法完成工作量

3.3 推斷解譯

高密度電阻率法推斷解譯，主要依據(jù)二維反演成果圖并結(jié)合該區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行分析。各剖面解譯具有較多的相似性，因此，本次分析以1線和5線兩個(gè)典型的剖面作為主要的分析對(duì)象。

3.3.1 高密度電法1線

1線高密度電法反演結(jié)果如圖3所示。地表1～5m范圍內(nèi)呈現(xiàn)串珠狀中高阻異常特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)由近地表第四系粘土和粉質(zhì)粘土引起；存在部分介質(zhì)電阻率值總體介于300～1500Ω·m之間，推測(cè)由石英砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質(zhì)巖類等圍巖引起；介質(zhì)電阻率值在1500～3000Ω·m之間的中高阻異常推測(cè)由鎢銻礦化和硅化綜合反映；介質(zhì)電阻率值在3000 Ω·m以上，推測(cè)由未積水的采空區(qū)或已塌陷的采空區(qū)引起，其中呈特高視電阻率異常特征的采空區(qū)基本是未充填采空區(qū)，視電阻率曲線梯度密集帶即推測(cè)采空區(qū)邊界，則1線共推斷出5處采空區(qū)，如圖4所示，分別命名為1-1、1-2、1-3、1-4和1-5，其中1-1、1-2和1-3推測(cè)為無(wú)積水未填充采空區(qū)；1-4和1-5推測(cè)為無(wú)積水已填充采空區(qū)。

圖3 1線高密度電法視電阻率反演圖

圖4 1線高密度電法推斷解譯圖

3.3.2 高密度電法5線

5線高密度電法反演結(jié)果如圖5所示。地表1～8m范圍內(nèi)呈現(xiàn)串珠狀中高阻異常特征，推測(cè)由近地表第四系粘土和粉質(zhì)粘土引起；存在部分介質(zhì)電阻率值總體介于300～1500Ω·m之間，推測(cè)由石英砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質(zhì)巖類等圍巖引起；介質(zhì)電阻率值在1500～3000Ω·m之間的中高阻異常推測(cè)由鎢銻礦化和硅化綜合反映；介質(zhì)電阻率值在3000Ω·m以上，推測(cè)由未積水的采空區(qū)或已塌陷的采空區(qū)引起，其中呈特高視電阻率異常特征的采空區(qū)基本是未充填采空區(qū)，視電阻率曲線梯度密集帶即推測(cè)采空區(qū)邊界，則5線共推斷出4處采空區(qū)，如圖6所示，分別命名為5-1、5-2、5-3和5-4，其中5-1和5-4推測(cè)為無(wú)積水未填充采空區(qū)；5-2和5-3推測(cè)為無(wú)積水部分填充采空區(qū)。

圖5 5線高密度電法視電阻率反演圖

圖6 5線高密度電法推斷解譯圖

3.4 采空區(qū)空間形態(tài)

該礦區(qū)高密度電法剖面共推斷16個(gè)異常，其中8個(gè)異常推測(cè)為無(wú)積水未填充采空區(qū)，另外8個(gè)推測(cè)為采空區(qū)無(wú)積水填充或部分填充采空區(qū)，視電阻率曲線梯度密集帶即推測(cè)采空區(qū)邊界。結(jié)合地形地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，探測(cè)區(qū)地形坡度大，巖層產(chǎn)狀陡、巖石裂隙發(fā)育，＋325m標(biāo)高以上，很少積水，對(duì)未來(lái)深部坑道采礦無(wú)影響，與地球物理推斷采空區(qū)異常電阻率特征反映一致。

為了將采空區(qū)平面形態(tài)具體化，根據(jù)各剖面推斷的采空區(qū)異常點(diǎn)號(hào)位置，將其投影到平面圖中，其平面異常按其對(duì)應(yīng)測(cè)線起止點(diǎn)號(hào)長(zhǎng)度為投影平面橢圓形的長(zhǎng)軸，其短軸按其長(zhǎng)軸的1/2估算，投影各異常平面面積總計(jì)9856m2。

由于探測(cè)區(qū)域內(nèi)存在的采空區(qū)是以前民采所造成，因此采空區(qū)空間形態(tài)與存在的礦體形態(tài)相似。根據(jù)礦山的地質(zhì)資料，白鎢礦和輝銻礦體形態(tài)為豆莢或扁豆?fàn)睿瑒t本次試驗(yàn)空區(qū)空間形態(tài)可認(rèn)為是橢圓體，按照剖面圖可推測(cè)空區(qū)體積。各剖面異常體積估算詳見(jiàn)表2，物探探測(cè)采空區(qū)體積估算約73382 m3，其中無(wú)積水未填充采空區(qū)體積約50121m3。

表2 高密度電法推斷采空區(qū)投影面積及體積估算表

4 結(jié)論

1.根據(jù)高密度電阻率法反演及推斷解譯結(jié)果可以較好的反映該銻礦區(qū)的圍巖、礦化帶和采空區(qū)分布情況，視電阻率曲線梯度密集帶即推測(cè)采空區(qū)邊界。

2.該銻礦區(qū)各剖面采空區(qū)均以高阻或特高阻異常為特征，反映采空區(qū)不存在積水現(xiàn)象。結(jié)合地形地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，探測(cè)區(qū)地形坡度大，巖層產(chǎn)狀陡、裂隙發(fā)育，＋325 m標(biāo)高以上很少積水，與地球物理推斷采空區(qū)異常電阻率特征反映一致。

3.該銻礦區(qū)由剖面共推斷出16個(gè)采空區(qū)異常，投影各異常平面面積總計(jì)9 856 m2，采空區(qū)體積估算約73 382 m3，其中無(wú)積水未填充采空區(qū)體積約50 121 m3。