空氣型采空區(qū)的地球物理異常理論識別模型分析

張忠海，王 潤，郭 凱，曹 洋

（1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000；2.東北大學，遼寧 沈陽 110819）

近年來，在經(jīng)濟利益的驅使下，各類礦產(chǎn)資源的開采范圍和規(guī)模不斷擴大。然而由于礦區(qū)的歷史遺留問題或開采方式不當、后期處理不完善等原因，往往在礦山內(nèi)形成了多處隱伏采空區(qū)。采空區(qū)作為最嚴重的礦山地質災害之一，其存在打破了原有的應力平衡，易引起地面沉陷、地表裂縫等嚴重的地質災害，對礦山的安全生產(chǎn)構成了嚴重的威脅[1]。因而對采空區(qū)精準探測技術方法進行研究，是保障礦山生產(chǎn)安全的重要措施，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

現(xiàn)今國內(nèi)外采空區(qū)的探測主要以對采礦情況的調查為出發(fā)點，通過地球物理勘探、工程鉆探、水文測試、變形觀測等手段對采空區(qū)進行探測[2，3]。高密電阻率法作為電法勘探的一種，在采空區(qū)探測中廣泛使用，并取得了良好的應用效果。對于采空區(qū)來說，其規(guī)模大小、空間分布位置以及充填介質均對其異常特征的識別存在影響。因此，本文采用正演模擬方法對空氣型采空區(qū)的地球物理異常理論識別模型進行分析。

1 高密電阻率法采空區(qū)探測基本原理

高密度電阻率法簡稱HDRM，其在原理上與常規(guī)電阻率方法完全相同，是以巖（礦）石之間的電性差異為基礎，通過觀測和研究與這種電性差異有關的電場分布特征和變化規(guī)律，以此來探明地下地質體的分布情況[4，5]。高密度電阻率法探測裝置類型較多[6]，包括溫納裝置、偶極裝置、微分裝置、二極裝置、四極裝置、單邊三極裝置、斯龍貝格裝置等[7]。上述裝置均可應用于數(shù)據(jù)采集工作，但由于探測區(qū)域地形、地質特征、地球物理特征、人為因素等條件限制，在野外工作時應根據(jù)實際情況選擇合適的裝置類型進行探測，確保數(shù)據(jù)采集的準確性。本文選用采空區(qū)高密度電阻率法探測中常用的溫納裝置進行研究分析。

對于溫納裝置，其裝置系數(shù)K=2na，MN=AM=NB=na（A、B為供電電極，M、N為測量電極，n為隔離系數(shù)，a為電極極距）。測量時，MN=AM=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著MN、AM、NB增大一個電極間距，逐點依次向右移動，得出另一條剖面線；這樣不斷的掃描下去，最后得到倒梯形的電阻率剖面圖[8]。

2 空氣型采空區(qū)地球物理異常理論識別模型

建立空氣型采空區(qū)地球物理異常理論識別模型，并采用溫納裝置進行分析。空氣為不導電的絕緣體，顯示為高阻特征，對空氣型采空區(qū)電阻率設定為10000Ωm；對模型背景電阻率設定為300Ωm，保證采空區(qū)與賦存位置周邊圍巖之間具有明顯的電阻率差異，以進行空氣型采空區(qū)的理論識別模型相關研究。同時，設定電極數(shù)為60，電極間距為5m。設定采空區(qū)為邊長b=15m的正方體，水平范圍在145m～160m之間，采空區(qū)初始埋深為h=15m，并根據(jù)h:b=1:1、2:1、3:1、4:1的比值關系逐漸增大采空區(qū)埋深，模型如圖1（e）所示。利用RES2DMOD軟件對空氣型采空區(qū)地球物理異常理論識別模型進行正演計算，計算結果如圖1所示。

圖1 空氣型采空區(qū)地球物理異常理論識別模型

3 空氣型采空區(qū)地球物理異常分析

根據(jù)計算結果，在溫納裝置電阻率剖面圖上，從上而下采空區(qū)埋深（h）：采空區(qū)邊長（b）分別為1:1、2:1、3:1和4:1，空氣型采空區(qū)顯示為高阻異常特征，且當在電極間距、采空區(qū)規(guī)模、采空區(qū)與賦存位置周邊圍巖之間電阻率差值不變的情況下，在不同埋深情況下對同一采空區(qū)顯示不同的高阻異常特征。

（1）當h:b=1:1時，即采空區(qū)埋深為15m，計算結果如圖1（a）所示。在電阻率剖面圖上可識別出明顯的高阻異常特征；并以電阻率最高值的等值線圈定采空區(qū)，采空區(qū)位于水平范圍137.5m～167.5m之間，垂向范圍10.5m～20.5m之間，其高阻異常顯示范圍與模型采空區(qū)設定范圍基本吻合，對空氣型采空區(qū)模擬效果明顯。

（2）當h:b=2:1時，即采空區(qū)埋深為30m，計算結果如圖1（b）所示。在電阻率剖面圖上可識別出小部分高阻異常特征；并以電阻率最高值的等值線圈定采空區(qū)，采空區(qū)位于水平范圍120m～180m之間，頂板埋深為33m，無法識別出采空區(qū)具體形狀及其底部邊界范圍，對空氣型采空區(qū)模擬效果變差。

（3）當h:b=3:1時，即采空區(qū)埋深為45m，計算結果如圖1（c）所示。在電阻率剖面圖上僅可識別出小部分次高阻異常特征；并無法以電阻率最高值的等值線對采空區(qū)進行圈定，無法識別出采空區(qū)具體形狀及其分布范圍，對空氣型采空區(qū)模擬效果已經(jīng)失真。

（4）當h:b=4:1時，即采空區(qū)埋深為60m，計算結果如圖1（d）所示。在電阻率剖面圖上無高阻異常特征顯示，電性反映均勻，表現(xiàn)為地下均勻地質體特征。空氣型采空區(qū)探測模型已超出有效探測深度范圍，未探測到采空區(qū)。

綜上所述，在溫納裝置上，空氣型采空區(qū)顯示為高阻異常特征，且在有效探測深度范圍內(nèi)高阻異常特征顯示明顯。當h:b=1:1時，模擬效果較好，可準確識別出采空區(qū)具體位置及其分布范圍；隨著比例系數(shù)的逐漸增大，采空區(qū)埋深逐漸加深，對采空區(qū)的分辨率逐漸降低，采空區(qū)在水平方向上異常顯示范圍逐漸擴大，同時，無法準確識別出采空區(qū)底部邊界范圍；當h:b=4:1時，采空區(qū)埋深超出有效探測深度范圍，無法識別出采空區(qū)，顯示為地下均勻地質體特征。

4 結論

（1）通過對采空區(qū)地球物理異常理論識別模型進行正演模擬計算，在溫納裝置上模擬效果明顯，空氣型采空區(qū)顯示為高阻異常特征，且在不同埋深范圍內(nèi)的采空區(qū)均具有明顯的電阻率異常響應。

（2）根據(jù)模擬結果可知，在采空區(qū)邊長不變的情況下，隨著比例系數(shù)的逐漸增大，采空區(qū)埋深逐漸加深，對采空區(qū)的分辨率逐漸降低。

（3）根據(jù)模擬結果可知，對于空氣型采空區(qū)，在有效探測深度范圍內(nèi)時，可準確識別出采空區(qū)具體形狀及其分布范圍；當采空區(qū)埋深超出有效探測深度范圍內(nèi)時，已無法識別出采空區(qū)。