應用物理勘探技術探測大寶山礦盲采空區(qū)的試驗研究

陳學軍，劉 靜，趙子巍

(1.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關市 512127；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

應用物理勘探技術探測大寶山礦盲采空區(qū)的試驗研究

陳學軍1，劉 靜2，趙子巍2

(1.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關市 512127；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

采用音頻電磁測深法和地面五極縱軸激電測深法，對廣東省大寶山礦業(yè)有限公司銅礦分公司北采區(qū)部分區(qū)域進行了物理探測試驗，有效論證了音頻電磁測深法在大寶山礦區(qū)探測采空區(qū)的可行性，并查明礦山指定區(qū)域內埋深50 m范圍內采空區(qū)的分布及規(guī)模，為采空區(qū)鉆探及治理提供了依據(jù)。

音頻電磁測深；地面五級縱軸激電測深；空區(qū)；電阻率；極化率

0 引 言

大寶山礦業(yè)有限公司銅礦分公司露天采場下部存在許多不明采空區(qū)，對礦山生產(chǎn)構成嚴重的安全隱患。為了尋找探測地下不明采空區(qū)位置及規(guī)模的有效方法，并在未來開展大面積不明采空區(qū)探測，結合礦山生產(chǎn)與年度計劃要求，為采空區(qū)鉆探及治理提供依據(jù)，大寶山礦業(yè)有限公司委托長沙礦山研究院有限責任公司開展北采區(qū)部分區(qū)域物理探測試驗研究，使用了音頻電磁測深法和地面五極縱軸激電測深法，有效論證了音頻電磁測深法在大寶山礦區(qū)探測采空區(qū)的可行性，并查明礦山指定區(qū)域內埋深50 m范圍內采空區(qū)的分布及規(guī)模，為采空區(qū)鉆探及治理提供依據(jù)[1￣6]。

1 物性前提分析及探測方法介紹

根據(jù)巖礦石電磁特征的普遍規(guī)律和工作區(qū)的地質條件，區(qū)內存在用音頻電磁測深法和五極縱軸激電測深法探測采空區(qū)的物性前提，主要體現(xiàn)為以下4個方面：

(1) 測區(qū)地層為淺部的鐵礦體和深部的層狀銅、鉛、鋅、硫多金屬礦體，為低電阻率地層，而無水采空區(qū)電阻率高。

(2) 無水采空區(qū)具有一定的規(guī)模，會在測線電阻率斷面圖中顯示電阻率曲線呈圓形和橢圓形分布，且電阻率值較高。區(qū)內各地層中存在的短暫性(探測期間)充水空區(qū)具有較低的電阻率，相對較低的極化率，與圍巖存在物性差異。

(3) 區(qū)內存在的黃鐵礦(化)體及硫化礦物等，其電阻率值較低，但其極化率較高，且在該礦區(qū)分布范圍廣，產(chǎn)狀平緩。

(4) 常年積水的老空區(qū)，電阻率很低，同時因硫酸根離子含量高，極化率高，其物性參數(shù)與圍巖差異不大，所以很難從電性參數(shù)及極化率參數(shù)加以區(qū)別。

音頻電磁測深探測是利用天然的電磁場穿過非均質的大地介質時產(chǎn)生的與天然電磁場同頻率的感應電磁場，電磁場在大地傳播時，會引起電場的梯度變化，同時又引起磁場的垂直分量變化，其振幅衰減與穿過的地層深度存在關系，衰減速度與穿過的地層電阻率以及天然的頻率亦有關聯(lián)。地下構造、巖溶、礦體以及采空區(qū)的探測運用這一原理來實施，多年的實踐證實，在無干擾或干擾很小的情況下，探測效果非常理想。該方法的主要缺點為高壓線干擾嚴重，有高壓線區(qū)域幾乎無法接收有用信息。

本礦礦體圍巖黃鐵礦化、硫鐵礦化嚴重，呈現(xiàn)出低阻高極化特征，而無水空區(qū)呈現(xiàn)高阻低極化特征，常年性積水空區(qū)因含硫酸根離子高，也呈現(xiàn)低阻高極化特征，與礦體物性參數(shù)接近，短暫性積水空區(qū)呈現(xiàn)低阻低極化特征。雖然音頻電磁測深在無干擾的條件下，效果很好，但它只能采集到視電阻率數(shù)據(jù)，無法區(qū)別異常性質，即在本礦無法區(qū)別積水空區(qū)和礦體(或礦化巖體)。而地面五極縱軸激電測深，可探測視電阻率和極化率兩個參數(shù)，從理論上分析，它可區(qū)別短暫性積水空區(qū)和礦體。

2 物探試驗設計布置

物探試驗設計在北采區(qū)672 m標高平臺布置8條探測線，點距為10 m。主要目的是探測測區(qū)地面標高以下50 m深度內存在的采空區(qū)規(guī)模和位置。音頻電磁測深總工作量見表1。

表1 音頻電磁測深工程量

物探試驗在所有音頻測深點布置了地面五極縱軸激電測深。但地面五極縱軸激電測深探測深度有限，加上地面五極縱軸激電測深野外工作裝置較復雜，須在3個方向布極或測量，探測工作困難。該礦為露采，工作場所復雜，無法按規(guī)范準確布極和測量。地面五極縱軸激電測深總工作量見表2。

表2 地面五極縱軸激電測深工作量

3 物探試驗推斷與解釋

由于測線較多，這里只做位于1X(1線)的音頻電磁測深斷面推斷解譯和地面五極縱軸激電測深斷面綜合推斷解釋。

3.1 1X(1線)音頻電磁測深斷面推斷解譯

1X線布置在指定試驗區(qū)的西北面的最外側，長100 m,11個測點，測線沿北東向布置。音頻電磁探測圖見圖1的左圖，從1X線的視電阻率異常及推斷解釋看出，整體來說，地表附近的電阻率曲線變化平緩，中、深部變化過渡較劇烈，地表附近可能因連續(xù)降雨或黃鐵礦化或含礦豐富，表現(xiàn)為電阻率很低，淺部低阻出現(xiàn)在+665 m標高上下，巖層受大氣降水或礦化的影響，含水性較好，表現(xiàn)出電阻率低的特性。局部相對高阻為空區(qū)、巷道的反映。

圖1 1X(1線)音頻電磁測深及五極縱軸激電測深斷面的解釋圖

1X線上的0.5～3號點、4～5.5號點、0～5號點、4～8號點、3～6號點等區(qū)段存在5個相對高阻主異常，其推斷解釋見表3。

另外，還存在一些小異常，如3～4號點的650～655 m標高、8～9號點的655～660 m標高可能存在巷道或小空區(qū)。

表3 1X線主要異常解釋結果

3.2 1X(1線)地面五極縱軸激電測深斷面綜合推斷解釋

1線全線做了地面五極縱軸激電測深，圖1的右上圖是1線五極縱軸激電測深視電阻率等值線斷面，右下圖為極化率等值線斷面，從視電阻率等值線斷面可以看出，埋深50 m范圍內，在1.5～2.5號點的645～650 m標高存在相對高阻異常，這與音頻測深斷面結果基本一致，但對應高阻異常區(qū)的極化率較高，推測可能空區(qū)太小，周圍圍巖極化率普遍較高，而反映不明顯。對比地面五極縱軸激電測深圖和音頻電磁測深圖，埋深50 m范圍內2種方法探測的視電阻率等值線形態(tài)基本一致，異常位置和形態(tài)有點偏差。造成偏差的原因可能是地面五極縱軸激電測深時因臺階邊坡的存在，影響實際探測極距MN的大小。

從圖1右上圖可以看出，斷面存在一個高阻異常E1/1X。推測為巷道或采空區(qū)。

4 綜合分析解釋

從現(xiàn)場探測采集圖來看，音頻電磁測深大部分點探測順利，數(shù)據(jù)采集速度較快，干擾因素少，探測數(shù)據(jù)真實可靠。但由于本礦是露天開采，陡坎邊坡密集，地面五極縱軸激電測深方法無法按規(guī)范要求實施[7]。

4.1 試驗區(qū)異常綜合分析解釋

由于探測試驗區(qū)不大，為獲得最佳物探效果，根據(jù)試驗區(qū)形狀特點設計探測線方向為北東向，達到各探測線的測點相對其他方向測點最多，物探數(shù)據(jù)相對更可靠。

本次是在同一試驗區(qū)采用音頻電磁測深和五極縱軸激電測深兩種方法探測，根據(jù)兩種方法探測斷面的成果推斷采空區(qū)位置，再比較與實際采空區(qū)位置的接近程度來判斷探測方法的有效性以及哪種方法的準確率更高。推斷解釋完全是根據(jù)實際探測斷面成果圖并結合地層及經(jīng)驗，因此，推測的采空區(qū)大小和位置與實際采空區(qū)大小存在一定誤差，綜合分析可以得出以下幾點。

(1) 從各條音頻電磁測深反演后的斷面視電阻率等值線來看，試驗區(qū)分布較多采空區(qū)和巷道。主要分布在試驗區(qū)測線的中部、6～8號測線的大號點以及1～5號測線的0～4號點。

(2) 由于探測斷面圖是根據(jù)物探儀器采集曲線或數(shù)據(jù)，采用物探軟件自動生成的連續(xù)等值線圖，而物探異常是相對值，是物探處理人員根據(jù)物探軟件生成的連續(xù)等值線斷面圖結合個人經(jīng)驗和試驗區(qū)地質資料人為圈定的，圈出的異常大小往往受人為經(jīng)驗和對礦區(qū)各種資料了解程度的影響。因此，圈出的異常大小和位置與實際采空區(qū)或巷道的大小和位置存在一定誤差，估計本次誤差在10 m左右。

(3) 從音頻電磁測深探測成果圖分析，試驗區(qū)主要存在5個高程段的高阻異常，推測為采空區(qū)或巷道，分別為：

第一高程段，位于淺部的640～660 m標高，埋深12～35 m左右，推測以采空區(qū)為主，但不同高程存在巷道；

第二高程段,位于中、淺部的620～640 m標高，埋深30～52 m左右， 1～8線不同部位都有存在，有兩個比較明顯的區(qū)域，一是1線的0～4號測點封閉區(qū)域，二是 2～5線的5～8號測點以及6號測線的4～6號測點，投影推斷以采空區(qū)為主；

第三高程段, 585～640 m標高，埋深30～35 m, 位于6～8線的大號點端部，分別是6線的3.5～7.5號點，7線的3.5號點以北和8線的4號點以北，從6～8線大號點的異常形態(tài)看，異常未封閉，推測該異常為采空區(qū)的反映，該采空區(qū)規(guī)模較大，異常區(qū)僅為采空區(qū)的一部分，測線未到采空區(qū)邊界，采空區(qū)往東南及東方向延伸，推測該區(qū)為一個未到邊界的大型采空區(qū)；

第四高程段,570～600 m標高，位于2～5號線的6～9號點和6～8號線的3.5號線以北，推測該區(qū)以巷道為主，有采空區(qū)存在，推測6～8號線的3.5號線以北主要為采空區(qū)；

第五高程段,490～540 m標高，位于1線的0～4號點以及2～5號測線的6～10號之間,推測以巷道為主，但有采空區(qū)存在。

(4) 對比各探測線的音頻電磁測深和地面五極縱軸激電測深斷面圖，發(fā)現(xiàn)2種方法的異常位置不完全吻合。造成這種結果的原因是受露天邊坡的影響，地面五極縱軸激電測深無法按規(guī)范準確布極，導致測量電極距誤差，部分測線探測深度也未達到50 m埋深。

(5) 由于物探存在邊界效應，邊界異常往往可靠性大大降低，要達到比較理想的效果，其測線長度與探測深度必須達到一個合理的比例，一般要求測線長度是探測深度的2倍，由于現(xiàn)場條件限制，難以實現(xiàn)。從而導致測線兩端的異常分析存在誤差。

(6) 從各條音頻電磁測深斷面圖可以看出，淺部高阻異常不多，分析有兩種可能：一是該區(qū)淺部實際采空區(qū)不多，二是本次音頻電磁測深未采用人工發(fā)射源，因部分頻段缺失，導致部分淺部采空區(qū)未被測到。

(7) 由于采空區(qū)大小相對礦層或礦化巖體，規(guī)模較小，測區(qū)巖體或礦層普遍高極化，五極測深的不連續(xù)數(shù)據(jù)采集使細小采空區(qū)和巷道的低極化反應不明顯，所以，無法從地面五極縱軸激電測深的極化率參數(shù)判斷采空區(qū)和巷道的存在。

(8) 從各探測線視電阻率等值線斷面圖看，各測線中部不同程度的出現(xiàn)近似垂直的條帶狀相對高阻，分析可能是平面位置大致相同，不同高程都存在巷道；或者存在上下連通的采空區(qū)、斜井、豎井、采礦溜槽等無水空間；或者上下空區(qū)之間巖體相對較松動。

4.2 探測成果與實際空區(qū)(巷道)大小誤差分析

探測結果有以下規(guī)律：

(1) 圈出的異常范圍和大小與實際采空區(qū)和巷道位置基本吻合，圈出的異常范圍和大小比實際采空區(qū)略?。?/p>

(2) 淺部密集的小型空區(qū)或巷道在探測斷面圖上反映為連續(xù)的異常區(qū)，推測可能是因為點距和線距(10 m)太大造成；

(3) 圈出的中部異常范圍和大小與中部實際采空區(qū)位置和大小吻合良好;

(4) 綜合分析估計誤差在10 m左右。

5 結 論

(1) 本次探測成果僅限于試驗區(qū)探測范圍內(1X-8X)672 m標高以下的區(qū)域。

(2) 從音頻測深的斷面成果圖可以看出，高阻異常明顯，認為音頻電磁測深法在大寶山礦區(qū)探測采空區(qū)有效，可為本礦的采空區(qū)治理提供較可靠的依據(jù)。建議應用時增加人工發(fā)射源，彌補天然電磁場缺失的部分高頻段，以便更詳細的查明淺部采空區(qū)分布情況。

(3) 由于地形、地層及地面五極縱軸激電測深工作原理限制，高密度的邊坡陡坎無法準確的布置測量電極。從地面五極縱軸激電測深的視極化率和視電阻率等值線斷面圖可以看出，出現(xiàn)相對高電阻率的對應區(qū)域并未出現(xiàn)低極化，因此，本礦露采區(qū)不宜采用地面五極縱軸激電測深。

(4) 根據(jù)各條測線的音頻電測測深斷面成果，試驗區(qū)存在較多采空區(qū)和巷道，主要分布在5個標高段。

[1]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京:地質出版社,2005：87￣89.

[2]蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探[M].北京:地質出版社,1998：7￣9.

[3]高 勇,徐白山,王啟軍.地下空區(qū)探測方法有效性研究[J].地質找礦論叢,2003(02):126￣130.

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[6]閆長斌,徐國元,中國生.復雜地下空區(qū)綜合探測技術研究及其應用[J].遼寧工程技術大學學報,2005(04):481￣483.

[7]湯井田,任政勇,化希瑞.地球物理學中的電磁場正演與反演[J].地球物理學進展,2007(04):1181￣1194.

2014￣09￣29)

陳學軍(1978-)，男，寧夏人，采礦工程師，主要從事礦山安全管理工作，Email: 55661339@qq.com。