基于高密度電阻率法的露天鐵礦陡立型鐵礦體內(nèi)不明采空區(qū)探測(cè)技術(shù)研究

王永增，張忠海，曹 洋，王 潤(rùn)

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000）

一部人類文明史，也就是人類資源開發(fā)的歷史,簡(jiǎn)言之人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展離不開對(duì)礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用。而在礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用中, 由于一定時(shí)期內(nèi)無(wú)序開采，給地表以下一定空間內(nèi)遺留大量的不明采空區(qū)，給后期的礦山開采，特別是露天開采帶來(lái)極大危害。特別是相對(duì)于礦產(chǎn)資源的井下開采，露天開采具有開采量大、礦石回收率高、生產(chǎn)安全、效益高和成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。基于此，國(guó)內(nèi)外許多金屬礦山均采用了露天開采模式，尤其是在鐵礦資源領(lǐng)域。但由于歷史原因，很多露天鐵礦是由散亂小的分區(qū)、分塊和分段井采和露采統(tǒng)一為整體大型露天開采[2-4]。此類露天鐵礦采場(chǎng)內(nèi)不可避免的存在大量采空區(qū)，加上轉(zhuǎn)換開采過(guò)程中已知空區(qū)資料的缺失和開采擾動(dòng)導(dǎo)致空區(qū)的變形和“移位”，外加特定歷史時(shí)期無(wú)序開采形成的不明采空區(qū)，它們時(shí)刻威脅露天礦山生產(chǎn)安全，輕則造成機(jī)器設(shè)備損壞，重則造成人員生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，一直以來(lái)，露天鐵礦非常重視采空區(qū)探測(cè)和治理工作，保障了礦山的生產(chǎn)安全，與此同時(shí)也取得了不少研究成果，尤其是在采空區(qū)的地質(zhì)-地球物理探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究方面[5]。

但是，以往的研究多集中于緩傾地質(zhì)體內(nèi)不明采空區(qū)的探測(cè)技術(shù)研究，而對(duì)于BIF 型鐵礦中陡立型鐵礦體內(nèi)的采空區(qū)探測(cè)則是一個(gè)研究空白，急需開展相關(guān)探測(cè)技術(shù)研究。當(dāng)前，準(zhǔn)確識(shí)別和定位陡立型鐵礦體內(nèi)的不明采空區(qū)則是露天采礦活動(dòng)中必須面臨的一個(gè)新安全生產(chǎn)難題?；诖朔N趨勢(shì)認(rèn)識(shí)，本文以露天采礦歷史悠久的鞍本地區(qū)BIF 型鐵礦為研究對(duì)象，選取典型的露天鐵礦陡立型鐵礦體內(nèi)的采空區(qū)開展探測(cè)應(yīng)用研究，探索出一套應(yīng)用高密度電阻率法探測(cè)陡立型鐵礦體內(nèi)采空區(qū)的技術(shù)方法，以準(zhǔn)確識(shí)別和定位采空區(qū)的埋深位置和規(guī)模大小，這對(duì)露天采場(chǎng)安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)實(shí)用和長(zhǎng)遠(yuǎn)開發(fā)意義。

1 露天鐵礦采空區(qū)探測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)

相對(duì)比于傳統(tǒng)的鉆探法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，地球物理方法探測(cè)采空區(qū)具有經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)損、探測(cè)范圍大和應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，且克服了鉆探的破壞性探測(cè)和“一孔之見”的缺點(diǎn)，尤其是其中的高密度電阻率法，可以形成快捷高效的地質(zhì)CT 采空區(qū)探測(cè)技術(shù)體系。

高密度電阻率法（HDRM）是集電測(cè)深法和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合物探方法，它可以實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量電極布極，就可對(duì)同一目標(biāo)體進(jìn)行多裝置、多參數(shù)的多次數(shù)據(jù)采集工作。而它的基本原理與常規(guī)電阻率法一樣，仍是以巖礦石的電性差異為基礎(chǔ)，基于穩(wěn)定電流場(chǎng)分布理論，通過(guò)研究人工建立的地下穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)解決礦產(chǎn)資源、環(huán)境和工程地質(zhì)問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)上是一種陣列勘探方法，利用電極數(shù)量大，且不同電極之間可以自由組合，以提取豐富的地電信息。在實(shí)際探測(cè)工作中，只需要把全部電極布置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用微機(jī)工程電測(cè)儀和程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，同時(shí)可以對(duì)電極接地情況自動(dòng)檢查，并控制測(cè)量裝置形式變化、極距大小變化及測(cè)點(diǎn)位置滾動(dòng)，自動(dòng)完成各測(cè)點(diǎn)的多極距、多裝置形式數(shù)據(jù)采集工作[6]。每次測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在測(cè)量主機(jī)上，并可通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，用專門處理軟件開展數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)反演處理、數(shù)據(jù)成圖和數(shù)據(jù)解譯。

2 露天鐵礦采空區(qū)探測(cè)技術(shù)與裝置

露天鐵礦采場(chǎng)地質(zhì)和人文環(huán)境條件復(fù)雜，是自然地質(zhì)異常和人文活動(dòng)疊加異常的集中區(qū)域，干擾影響因素較多。為此，露天鐵礦采場(chǎng)內(nèi)的高密度電阻率法探測(cè)采空區(qū)主要采用四極裝置（圖1）（AMNB 裝置，AB 極供電，MN 極測(cè)量）[5]，具體為溫納裝置，其具有較高的作業(yè)效率和抗干擾能力。

高密度電阻率法在采空區(qū)探測(cè)過(guò)程中，測(cè)線垂直目標(biāo)體布設(shè)，并根據(jù)場(chǎng)地大小而采用多電極同時(shí)布設(shè)，由電腦控制多極滾動(dòng)測(cè)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。為了保證探測(cè)精度和深度，不遺漏采空區(qū)，本次采用2m ～3m 電極極距，同時(shí)依據(jù)接地電阻大小使供電電壓在200V ～400V 之間，保證測(cè)點(diǎn)最深處測(cè)量電位差和電流均高于10mV 和10mA，以確保測(cè)點(diǎn)處所獲空間位置的測(cè)量電阻率真實(shí)可靠。而對(duì)于獲取的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)反演，反演結(jié)果繪制成電阻率剖面圖。

圖1 高密度電阻率法探測(cè)示意圖

3 探測(cè)技術(shù)研究地質(zhì)-地球物理特征

本文探測(cè)應(yīng)用研究區(qū)位于鞍本BIF 型鐵礦聚集區(qū)，為區(qū)內(nèi)典型的露天開采富鐵礦床。其內(nèi)鐵礦體陡立厚大呈近SN 向分布，平均厚度在200m，延深大于800m。由于是富鐵礦，所遺留采空區(qū)基本為日偽時(shí)期采富棄貧形成的空?qǐng)鲂屠吓f采空區(qū)，同時(shí)也不可避免的存在一些礦產(chǎn)資源整合開發(fā)以前無(wú)序開采和偷采濫挖形成的無(wú)序采空區(qū)，但基本均在采場(chǎng)內(nèi)富磁鐵礦區(qū)段中。值得一提的是在開采擾動(dòng)下，個(gè)別采空區(qū)逐步失穩(wěn)和坍塌，地表形成塌陷小坑和地裂縫，逐漸失穩(wěn)的采空區(qū)給礦山的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。

地球物理特征方面，礦山淺部以赤鐵礦為主，往深部逐漸變?yōu)橐源盆F礦為主，但均含有石英，導(dǎo)致電阻率比較高，地表原位測(cè)試電阻率在400Ω·m ～1700Ω·m 之間變化。但由于目前探測(cè)區(qū)域內(nèi)采空區(qū)位于礦山潛水面以上，其內(nèi)以充填空氣為主，其電阻率明顯增大，而與周圍巖礦石物性差異明顯，具備了使用高密度電阻率法探測(cè)采空區(qū)的地球物理前提條件。值得一提的是，與傳統(tǒng)的鉆探相比，高密度電阻率法屬于一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)方法，屬于地質(zhì)CT 技術(shù)。

4 探測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究

本文露天鐵礦陡立型礦體內(nèi)不明采空區(qū)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究首選選在一處已知采空區(qū)裂陷區(qū)開展（圖2-A），該采空區(qū)裂陷區(qū)位于露天鐵礦一處采礦平臺(tái)上，長(zhǎng)期的采礦爆破和運(yùn)輸擾動(dòng)活動(dòng)致使一處空?qǐng)鲂筒煽諈^(qū)頂板不斷減薄，并在其頂板構(gòu)造發(fā)育處出現(xiàn)突然裂陷而出露于地表，寬度在5m 左右，并有逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)，嚴(yán)重影響采礦平臺(tái)作業(yè)安全。本著從已知到未知的探測(cè)技術(shù)原則，首先在該處進(jìn)行探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究，布設(shè)高密度電阻率法測(cè)線GMD-1，具體則以裂陷區(qū)中心為測(cè)線中心，采用3m 電極距和60 個(gè)測(cè)量電極開展數(shù)據(jù)采集工作，獲取的電性數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理和地質(zhì)-地球物理解譯得到成果圖（圖2-A）。從圖2-A 可以看出，地表6m 以內(nèi)為低阻，與常見的礦山地表碎石基底表現(xiàn)為高阻值不同，這主要是因?yàn)樵谔綔y(cè)前期，探測(cè)區(qū)有降雨過(guò)程，碎石基底區(qū)因充水而表現(xiàn)為低阻。除此之外，有三處明顯的高阻值區(qū)KQ-1、KQ-2 和KQ-3，其阻值均在7000Ω·m 以上，遠(yuǎn)大于富磁鐵礦體的電阻率值，可以推測(cè)為采空區(qū)異常，即有采空區(qū)存在且內(nèi)充滿空氣導(dǎo)致的電阻率急劇升高。對(duì)于KQ-2 則是已知的空?qǐng)鍪讲煽諈^(qū)，KQ-1 則與之相同，且為新發(fā)現(xiàn)的空?qǐng)鍪讲煽諈^(qū)。而對(duì)于KQ-3 則可推測(cè)為巷道式的采空區(qū)，鉆探驗(yàn)證顯示其為高約3m 的巷道。值得一提的是采空區(qū)KQ-1 和KQ-2 頂板距離地表均在10 左右，且KQ-2 已經(jīng)局部列陷出露地表，鑒于其規(guī)模比較大，急需進(jìn)行安全爆破處理，防止其突然大面積塌陷造成安全事故。

在已知區(qū)進(jìn)行探測(cè)的同時(shí)，作為探測(cè)技術(shù)應(yīng)用的有效對(duì)比，又在一個(gè)疑似采空區(qū)分布采礦平臺(tái)進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)，布設(shè)了高密電阻率法測(cè)線GMD-2，其結(jié)果見圖2-B。GMD-2 存在5 處明顯的高阻值異常區(qū)，其阻值也均在7000Ω·m，經(jīng)過(guò)與GMD-1 測(cè)線驗(yàn)證成果對(duì)比，KQ-4 和KQ-7 可以推測(cè)為巷道式采空區(qū)，而KQ-5、KQ-6 和KQ-8 可推測(cè)為采場(chǎng)式采空區(qū)，且3 處采場(chǎng)式采空區(qū)距離比較近，呈采空區(qū)群分布。目前已對(duì)KQ-6 采空區(qū)異常區(qū)進(jìn)行了潛孔鉆驗(yàn)證，證實(shí)其為一處采場(chǎng)式采空區(qū)，距離地表較近，且存在不同程度的頂板冒落現(xiàn)象。

上述探測(cè)應(yīng)用研究成果表明，可以應(yīng)用高密度電阻率法進(jìn)行露天鐵礦陡立型礦體內(nèi)不明采空區(qū)的探測(cè)工作，從中識(shí)別不明采空區(qū)的空間分布，后進(jìn)行高效快捷的潛孔鉆驗(yàn)證工作，對(duì)驗(yàn)證存在的采空區(qū)進(jìn)行安全爆破處理，徹底解決不明采空區(qū)存在導(dǎo)致的安全事故，保障礦山安全高效生產(chǎn)。

圖2 露天鐵礦高密度電阻率法采空區(qū)探測(cè)成果圖

5 結(jié)論

（1）探測(cè)應(yīng)用研究成果表明，露天鐵礦陡立型礦體內(nèi)不明采空區(qū)可以采用高密度電阻率法進(jìn)行無(wú)損的精準(zhǔn)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬礦山露天采場(chǎng)內(nèi)隱伏致災(zāi)因素的先導(dǎo)性無(wú)損探測(cè)預(yù)警。

（2）高密度電阻率法可以準(zhǔn)確識(shí)別露天鐵礦采場(chǎng)一定深度范圍內(nèi)的巷道式和采場(chǎng)式采空區(qū)，并在研究區(qū)新發(fā)現(xiàn)4 處采場(chǎng)式和3 處巷道式采空區(qū)，同時(shí)識(shí)別出一處采空區(qū)群異常。