地球物理探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)勘察方向的應(yīng)用研究

潘大偉 于克臣 袁中凡

摘要：采空區(qū)是由于采礦后留下的空?qǐng)?，由于采空區(qū)的存在，破壞了原有的應(yīng)力平衡，從而可能引發(fā)采空區(qū)的塌陷，從而引起一系列工程地質(zhì)問(wèn)題。目前，采空區(qū)的勘察手段主要有以下手段：地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探和物探，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查、繪圖包括地質(zhì)鉆探，工作效率較低。近些年以來(lái)，隨著科技的速發(fā)展，采用物探為主的采空區(qū)勘察方法得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)為了提高勘察的精度和效率，多種物探技術(shù)的綜合應(yīng)用，提高空區(qū)解譯的準(zhǔn)確性。本文以山東一金礦淺地層采空區(qū)勘察項(xiàng)目來(lái)說(shuō)明物探技術(shù)在該項(xiàng)目的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地球物理探測(cè)技術(shù);采空區(qū)勘察;應(yīng)用

根據(jù)地質(zhì)資料分析，物探探明的深度應(yīng)在10～200m之間，鑒于該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及工作任務(wù)，本次工作擬選用瞬變電磁法為主，高密度電法和可控源音頻大地電磁為輔的物探手段。測(cè)線方向設(shè)計(jì)為東西布設(shè)，共30條測(cè)線，點(diǎn)距為5m—10m，物理點(diǎn)1500個(gè)。

1、方法技術(shù)

（1）瞬變電磁法

工作原理：瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。具體工作就是在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開(kāi)時(shí)，在地下半空間就要激勵(lì)起感應(yīng)渦流以維持?jǐn)嚅_(kāi)電流前已存在的磁場(chǎng)，并且此渦流場(chǎng)隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測(cè)此二次渦流磁場(chǎng)或電場(chǎng)的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)，由于是在沒(méi)有一次場(chǎng)背景的情形下觀測(cè)純二次場(chǎng)異常，因而異常更直接、探測(cè)效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。

工作裝置及采集參數(shù)試驗(yàn)：根據(jù)本次勘探的地質(zhì)任務(wù)、精度要求以及區(qū)內(nèi)地形、地質(zhì)條件，確定本次野外數(shù)據(jù)采集選擇瞬變電磁法的中心回線裝置，該工作裝置具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。野外施工中選擇如下工作參數(shù)，能夠滿足勘探任務(wù)的需要。發(fā)射線框：300m×300m;增益：4×4;電 流：10-14A;積分時(shí)間：不小于90s。

（2）高密度電法

工作原理：是基于垂向直流電阻率測(cè)深與直流電阻率剖面測(cè)量?jī)煞N方法相結(jié)合的基本原理，通過(guò)高密度電法測(cè)量系統(tǒng)中的軟硬件，控制在同一條多芯電纜上布置連結(jié)的多個(gè)電極，使其自動(dòng)組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)或多個(gè)不同探測(cè)深度的探測(cè)剖面，根據(jù)控制系統(tǒng)中選擇的探測(cè)裝置類型，對(duì)電極進(jìn)行相應(yīng)的排列組合，按照測(cè)深點(diǎn)位置的排列順序或探測(cè)剖面的深度順序，逐點(diǎn)或逐層探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)跑極、自動(dòng)供電、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)存儲(chǔ)。自動(dòng)生成各測(cè)深點(diǎn)及各剖面層的曲線或整體剖面圖像。

結(jié)合以往在該地區(qū)的成果和經(jīng)驗(yàn)，高密度電法剖面的布設(shè)點(diǎn)距為5米，供電延時(shí)100毫秒;測(cè)量通道為120道，采用溫納裝置，溫施層為20層。自動(dòng)測(cè)量自電SP、電位差VP、電流IP以及計(jì)算視電阻率ρs值。

（3）可控源音頻大地電磁

工作原理：利用接地水平電偶源為信號(hào)源的一種頻率域電磁測(cè)深法，該方法是二十世紀(jì)八十年代末才興起的一種勘探地球物理新技術(shù)，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程導(dǎo)出了水平電偶極源在地面上的電場(chǎng)及磁場(chǎng)公式。通過(guò)調(diào)整供電頻率的高低，得到不同深度的地電信息，從而達(dá)到垂向頻率測(cè)深的目的，根據(jù)所測(cè)視電阻率特征，了解地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀和特征，分析推斷構(gòu)造帶空間分布形態(tài)及地層巖體之間接觸關(guān)系。

本次瞬變電磁工作與CSAMT工作均使用V8電法工作站， V8有3個(gè)磁道和6個(gè)電道。磁道既可以連接標(biāo)準(zhǔn)的磁棒也可以和1到3個(gè)軸向的TDEM探頭連接。V8還可以單機(jī)工作（通常用來(lái)做AMT和MT）。

高密度工作采用的儀器為重慶地質(zhì)儀器廠所生產(chǎn)的DZD—6A多功能直流電法儀、DUK—2A多路電極轉(zhuǎn)化器。該套儀器采用全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量，可對(duì)自然電位、漂移及電極極化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償;高密度測(cè)量模式時(shí)可直接顯示十四種以上的布線工作模式;在DZD—6A單機(jī)模式時(shí)可直接顯示九種電極排列方式;同時(shí)工作時(shí)可實(shí)時(shí)顯示曲線等。

2、物探資料解釋推斷

充分利用收集到的地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)采集的瞬變電磁法資料，結(jié)合調(diào)查訪問(wèn)結(jié)果，綜合分析，以提高資料解釋的精度和準(zhǔn)確性。

在地球物理特征和試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行資料的解釋，表現(xiàn)在成果圖上有如下特征：巖礦石采空后，上覆地層中裂隙廣為發(fā)育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得地層的導(dǎo)電性明顯變化。采空區(qū)內(nèi)若無(wú)積水，電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的高阻異常，采空區(qū)內(nèi)若積水電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的低阻異常?？紤]到測(cè)區(qū)內(nèi)的礦井均處于正常運(yùn)作狀態(tài)，推測(cè)本區(qū)內(nèi)主要采空區(qū)在視電阻率斷面圖的表現(xiàn)形態(tài)多為高阻。

3、結(jié)論

工作共完成30條瞬變電磁法剖面，累計(jì)完成物理點(diǎn)1500個(gè)，其中質(zhì)檢點(diǎn)80個(gè)，高密度測(cè)量物理點(diǎn)480個(gè)，可控源音頻大地電磁物理點(diǎn)24個(gè)。通過(guò)對(duì)資料進(jìn)行整理成圖和地質(zhì)解釋，基本查明了工區(qū)范圍內(nèi)的異常情況。結(jié)合物探資料，在工作區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)為采空塌陷或裂隙發(fā)育，推測(cè)了采空塌陷或裂隙發(fā)育區(qū)位置。

4、建議

物探是一種間接測(cè)試手段，在野外施工中，存在不可抗干擾因素較多，可能存在一定誤差，應(yīng)結(jié)合前期掌握的地質(zhì)資料，給予適當(dāng)校正和補(bǔ)充。通過(guò)物探工作，結(jié)合地質(zhì)資料分析推斷了勘察區(qū)域內(nèi)異常區(qū)分布范圍及深度，建議布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，為下一步工作提供依據(jù)。 鑒于物探方法的局限性和多解性，所測(cè)得的異常規(guī)模與異常的真實(shí)規(guī)模會(huì)有一定差距。采空區(qū)的勘察方法很多，但是每種方法都有一定的適用性，同時(shí)采空區(qū)的地質(zhì)條件、埋深和地形條件等特征也是影響采空區(qū)勘察技術(shù)選擇的基本條件。所以研究空區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征及各物探方法的適用性是非常必要的。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：金建工程設(shè)計(jì)有限公司）