利用綜合物探法精準探測弓長嶺露天礦采空區(qū)

張德輝 朱帝杰

(1.鞍鋼礦業(yè)集團弓長嶺露天礦，遼寧 遼陽111008;2.中國礦業(yè)大學( 北京) 力學與建筑工程學院，北京100083)

近年來，地球物理方法在礦區(qū)采空區(qū)探測方面得到了廣泛應用，應用較多的方法有淺層地震法［1-3］、電磁波法［4-6］、電阻率法［7-11］等。大量學者對此進行了研究，李文等［12］結(jié)合高密度電阻率法、瞬變電磁法、EH－4 大地電磁法和淺層地震法等4 類地面采空區(qū)探測技術(shù)探明了鄂爾多斯礦區(qū)采空區(qū)的分布范圍和安全隱患;趙國彥［13］結(jié)合高密度電阻率法和地震映像法，利用分形理論對金屬礦隱覆采空區(qū)進行了探測;門業(yè)凱等［14］綜合運用高密度電阻率法和地震映像法對露天鐵礦采空區(qū)進行了探測，很大程度上解決了探測盲區(qū)、易受干擾和定位困難的問題。隨著物探技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三維地震法、井下地震波法、三維高密度電法、地質(zhì)雷達法、紅外測水法、核磁共振測水法、測氡法等新方法。李娟娟等［15］從地球物理特征入手，分析淺層地震法、探地雷達法和可控源音頻大地電磁測深法對采空區(qū)進行探測的基本原理，并結(jié)合工程實例證明了三者的可行性并分析了各自特點;劉軍等［16］運用GPS RTK、靜態(tài)定位和C－ALS 三維激光探測系統(tǒng)，研究了基于GPS、三維激光掃描技術(shù)的露天礦山采空區(qū)探測工藝;劉希靈等［17］運用空區(qū)激光三維探測儀從地表對地下不可進入的采空區(qū)進行了三維探測，探測結(jié)果較直觀地顯示了所測采空區(qū)的形狀;鄧世坤等［18］利用地質(zhì)雷達對露天采礦場地下不明空區(qū)進行了探測;劉敦旺等［19］利用活性炭測氡法，并結(jié)合瞬變電磁法對古交市南巖村山鑫煤礦采空區(qū)進行了探測，論述了活性炭測氡法探測采空區(qū)的可行性。

弓長嶺露天鐵礦具有特殊的地質(zhì)、地球物理特征以及采空區(qū)賦存狀態(tài)的復雜性特征［20-21］:①弓長嶺鐵礦床為沉積變質(zhì)型鐵礦床，形成于25 億a 以前的新太古代時期，在漫長的地質(zhì)歷史過程中，發(fā)生了多期次不同程度的變質(zhì)、構(gòu)造、巖漿活動，多期次褶皺構(gòu)造發(fā)育，礦體產(chǎn)狀變化大，多級別、多組斷裂切割礦體，巖層破碎強烈，不同地質(zhì)體的地球物理特征差異較大，復雜的地質(zhì)條件造成了該區(qū)地球物理條件的復雜性，給采空區(qū)的精準判別帶來巨大影響;②采空區(qū)多位于采礦生產(chǎn)區(qū)域，環(huán)境復雜、生產(chǎn)車輛多、人員往來頻繁以及生產(chǎn)活動產(chǎn)生的大量振動、游離電荷和電磁干擾嚴重影響了地球物理場的穩(wěn)定性;③采空區(qū)規(guī)模變化較大，賦存層位雜亂，無一定的規(guī)律，影響了對采空區(qū)的準確識別。對此，將高密度電阻率法和瞬變電磁法相結(jié)合，構(gòu)建了綜合物探模型對該礦采空區(qū)進行精準探測。

1 工程概況

弓長嶺礦區(qū)為露天開采區(qū)，巖石為變質(zhì)巖，礦體賦存于褶皺部位，圍巖破碎強烈。礦區(qū)巖性變化大、構(gòu)造發(fā)育和場地條件復雜，場地房屋建筑、果園、樹林和灌木叢、河流、車輛、電線桿和礦坑塌陷等障礙物較多。本研究布置的測線:①高密度電阻率法，共完成測線18 條，總線長約7.6 km;②瞬變電磁法，共完成測線21 條，總線長約3.3 km。采空區(qū)與圍巖存在導電差異，具備采用電法探測采空區(qū)的地球物理前提。由于采空區(qū)較少含水，瞬變電磁法和高密度電阻率法的異常顯示為局部高阻異常。

2 采空區(qū)探測

2.1 高密度電阻率法

2.1.1 模型參數(shù)選擇

針對鐵礦山采空區(qū)的地質(zhì)特征，采用高密度電阻率法裝置中的溫納、偶極、單邊三極等裝置采集數(shù)據(jù)，建立分析模型。為減小誤差，獲取巖(礦)石現(xiàn)場電阻率值，采用露頭法測量。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)巖(礦)體分布情況，模型中設定礦體電阻率為1 000 Ω·m，圍巖及夾石的電阻率為2 000 Ω·m，采空區(qū)電阻率為10 000 Ω·m，采空區(qū)充水情況下電阻率由水決定，為10 Ω·m。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，只有寬度超過4 m的采空區(qū)才對生產(chǎn)構(gòu)成危害，因此在保證探測深度與精度的前提下，極距設為4 m，電極數(shù)設為60，最小隔離系數(shù)設為1，最大隔離系數(shù)設為19，測深達76 m。

2.1.2 電阻率異常數(shù)值模擬

根據(jù)電性特征，地下采空區(qū)可分為高阻采空區(qū)和低阻采空區(qū)2 類。通過建立礦體高、低阻單、雙采空區(qū)模型、圍巖高、低阻單、雙采空區(qū)地電模型和復雜地質(zhì)條件下高、低阻單、雙采空區(qū)地電模型，研究采空區(qū)的分布規(guī)律。礦體高、低阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果見圖1、圖2。由圖1、圖2 可知:①高密度電阻率法的各種探測裝置對高阻采空區(qū)的探測效果較好，對低阻采空區(qū)的探測效果相對較差;②高密度電阻率法的各種探測裝置可有效確定采空區(qū)頂板埋深，但對采空區(qū)特別是低阻采空區(qū)底板的區(qū)分能力較差;③對于水平疊加的采空區(qū)，偶極和單邊三極裝置區(qū)分能力較強，溫納裝置的區(qū)分能力較差;④在模擬條件下，對采空區(qū)的探測效果，單邊三極裝置優(yōu)于偶極裝置，偶極裝置優(yōu)于溫納裝置，但單邊三極、偶極裝置的抗干擾能力及穩(wěn)定性較差，溫納裝置抗干擾能力和穩(wěn)定性較好。

2.2 瞬變電磁法

根據(jù)采空區(qū)探測的特點，采用TEMPlot 軟件對采集的探測數(shù)據(jù)進行初步質(zhì)量評價和處理，采用Surfer軟件進行探測數(shù)據(jù)的可視化處理，采用IX1D 軟件對探測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進行正反演驗證。

2.2.1 探測數(shù)據(jù)處理

隨著靈敏度的提高，瞬變電磁法的抗干擾能力必然減弱，因此有必要對采集的探測數(shù)據(jù)進行適當?shù)脑鰪娞幚?，以剔除假異常。在此基礎(chǔ)上，采用瞬變電磁工作站軟件對探測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)處理。

圖1 礦體中高阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.1 Simulation result of high-resistance double goafs

(1)應用“濾波”和“編輯”模塊，對探測數(shù)據(jù)進行剪切處理，提取探測數(shù)據(jù)處理所需部分，并對探測數(shù)據(jù)進行濾波處理，消除干擾，增強異常。濾波主要針對探測數(shù)據(jù)的特點，進行衰減趨勢、畸變道消除和過度過程消除濾波，有時應根據(jù)探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和干擾因素，進行一定參數(shù)的測道圓滑和測點圓滑處理。

(2)顯示其感應電動勢剖面圖，據(jù)此進行初步定性解譯。

(3)結(jié)合探測數(shù)據(jù)采集時的工作裝置和相關(guān)參數(shù)，建立供瞬變電磁工作站軟件進行正反演計算的數(shù)據(jù)文件，便于進行正反演計算，獲取較直觀的探測數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖2 礦體中低阻雙采空區(qū)模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Simulation result of low-resistance double goafs

(4)探測數(shù)據(jù)的反演計算，主要針對上述處理結(jié)果形成的數(shù)據(jù)文件，對整條測線上的數(shù)據(jù)點進行一維反演，得出測線上每點一定深度下的電阻率變化信息。還可進一步進行可視化處理，使處理結(jié)果更加直觀，便于地質(zhì)解譯。

2.2.2 探測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證

采用瞬變電磁反演軟件IX1D，對于區(qū)內(nèi)某測線，在10 ～50 m 區(qū)域內(nèi)選取2 個測點的數(shù)據(jù)進行反演和擬合計算。結(jié)果表明:該2 個測點在25 ～120 m 處均出現(xiàn)明顯高阻異常，與瞬變電磁工作站軟件處理結(jié)果一致，反應出該軟件處理后的探測數(shù)據(jù)較為可靠。

2.3 綜合解譯

高密度電阻率法測線橫貫測區(qū)東西，大部分測線出現(xiàn)3 處局部高阻異常?；跍丶{剖面法的1#測線和8#測線解譯結(jié)果見圖3。

圖3 高密度電阻率法部分探測成果Fig.3 Part of the detection results of high density resistivity method

根據(jù)異常圈定的采空區(qū)帶的范圍和高度，不排除在采空區(qū)帶內(nèi)存在多層采空區(qū)和礦柱的可能。為此，進行了高密度電阻率法與瞬變電磁法的綜合解譯，基于溫納剖面法的5#測線綜合解譯結(jié)果見圖4。

圖4 5#測線高密度電阻率法和瞬變電磁方法的綜合解譯結(jié)果Fig.4 Comprehensive interpret results of high density resistivity and transient electromagnetic method of 5# measuring line

根據(jù)上述解譯成果，在弓長嶺鐵礦區(qū)共圈定了KQ01、KQ02、KQ03 3 個淺部采空區(qū)和KQ04、KQ05 2個深部采空區(qū)。KQ01 采空區(qū)位于測區(qū)西部，規(guī)模較小，寬約30 m，頂板埋深約40 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約30 m，由北向南埋深變淺;KQ02 采空區(qū)位于測區(qū)中部，規(guī)模較大，中部有分叉現(xiàn)象，寬約70 m，頂板埋深約40 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約40 m，由北向南埋深變淺;KQ03 采空區(qū)位于測區(qū)東部，規(guī)模較小，寬約30 m，頂板埋深約60 m，采空區(qū)頂?shù)装彘g厚約30 m。KQ04、KQ05 深部采空區(qū)主要是根據(jù)瞬變電磁5#、6#、7#、11#線的異常圈定的，在11#測線80 ～170 m 處出現(xiàn)埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 采空區(qū)的顯示;在5#、6#、7#測線上出現(xiàn)埋深約140 m 的高阻異常，為KQ04 、KQ05 采空區(qū)的顯示，總體頂板埋深約140 m?？傮w來看，KQ05 采空區(qū)規(guī)模較小，KQ04 采空區(qū)規(guī)模較大。

3 結(jié) 語

針對弓長嶺露天鐵礦采空區(qū)，建立了高、低阻單、雙采空區(qū)模型，將用于不同地質(zhì)條件和目標的高密度電阻率法與瞬變電磁法相結(jié)合，建立了同一地質(zhì)體的地質(zhì)及地球物理識別模型，實現(xiàn)了對礦區(qū)深部采空區(qū)和淺部采空區(qū)的精準探測。探測結(jié)果說明，采用綜合物探法能夠?qū)Σ煽諈^(qū)的位置和范圍等信息進行準確探測，具有一定的實用性。

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