井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術(shù)研究

田迎春

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司井采分公司，遼寧 遼陽 111007）

鐵礦石資源作為一種人類最早開發(fā)利用的金屬礦產(chǎn)資源之一，在不同的歷史時期進(jìn)行了不同程度的開發(fā)利用，特別是隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高，逐漸由散亂小的井采和坑采轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模露天開采和井下開采[1]，尤其隨著近幾年環(huán)境保護(hù)的迫切需求，大規(guī)模井下開采將成為未來礦產(chǎn)資源的主要開發(fā)利用形式。但這種大規(guī)模的井下開采不同于傳統(tǒng)意義的井下開采，是高度機械化、智能化和規(guī)模化的綠色開采方式，涉及到對整合開發(fā)前期無序井下開采方式留下的采空區(qū)安全處理[2]。由于此類采空區(qū)處于潛水面以下，基本都充滿水，危險性大，無法實地進(jìn)入測量[3]，且在開采過程中易誘發(fā)涌水和突水等災(zāi)害，迫切需要運用一種非接觸且穿透性強的探測技術(shù)手段進(jìn)行充水型采空區(qū)探測。

而充水型采空區(qū)具有低電阻率的特征，可簡化為一種典型的低電阻率地球物理異常體，則綠色無損的地球物理勘探技術(shù)手段便是其首選，國內(nèi)外優(yōu)選的地球探測技術(shù)方法為瞬變電磁法，充分利用了其對低阻體的敏感性技術(shù)特征。為此，本文以井下鐵礦充水型采空區(qū)為研究對象，基于瞬變電磁法的探測技術(shù)原理，采用澳大利亞最新研發(fā)的TerraTEM為地球物理探測應(yīng)用研究數(shù)據(jù)采集設(shè)備，開展井下鐵礦充水型采空區(qū)的現(xiàn)場探測技術(shù)應(yīng)用試驗研究。

1 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術(shù)基本原理

瞬變電磁法是電磁法的一種，具體屬于時間域電磁法，簡稱TEM，也是近幾年快速發(fā)展起來的一種高精度地球物理探測技術(shù)方法。在探測原理上，瞬變電磁法主要利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，在一次磁場的激勵下，地下導(dǎo)體內(nèi)部受感應(yīng)產(chǎn)生渦旋電流，在一次脈沖磁場的間隙期間，渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場不會隨一次場的消失而立即消失，此時利用線圈或接地電極觀測二次磁場，主要測量二次磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢V與時間t的變化關(guān)系，得到二次場隨時間衰減變化的特性曲線，再把發(fā)射電流歸一化后成為V（t）/I特性曲線，從而確定地下導(dǎo)體的電性分布和空間形態(tài)。值得一提的是發(fā)射磁場產(chǎn)生的渦旋電流呈環(huán)狀隨時間向外和向深部擴散，此等效電流好像是從發(fā)射線圈中吹出來的“煙圈”，該過程又被地球物理學(xué)家形象的稱之為“煙圈效應(yīng)”。

2 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測技術(shù)方法

本文中的瞬變電磁法探測設(shè)備采用澳大利亞進(jìn)口的TerraTEM，該設(shè)備數(shù)據(jù)采集可以設(shè)置更多的時間門窗口區(qū)間（70個～140個），在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)信息采集分辨率高，外加配置快速增強的關(guān)斷時間裝置，可以采集淺層探測數(shù)據(jù)，減小淺部探測盲區(qū)的存在（圖1）[3]。

根據(jù)不同的場地條件和探測深度要求，采空區(qū)探測裝置主要采用多匝的重疊小回線裝置（5匝～50匝），回線線圈邊長在2m～8m之間變化，發(fā)射線圈電流可控制在3A～6A，關(guān)斷時間隨線圈匝數(shù)在0.10ms～0.90ms，并可以在8次～512次疊加中壓制外部干擾，特別適合在人文干擾復(fù)雜區(qū)開展探測工作，這也是時間域瞬變電磁法的一個探測技術(shù)優(yōu)勢。而對于采集到的瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)，主要通過數(shù)據(jù)整理、預(yù)處理、視電阻率轉(zhuǎn)換和時深轉(zhuǎn)換，最后繪制視電阻率等值線剖面圖，結(jié)合礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)和物性等資料進(jìn)行分析研究和解譯，同時開展相應(yīng)的驗證工作，修改完善和提高探測目標(biāo)區(qū)的地球物理探測精準(zhǔn)度。

3 探測應(yīng)用研究區(qū)概況

充水型采空區(qū)探測應(yīng)用研究區(qū)位于我國著名的鐵礦產(chǎn)區(qū)-鞍本地區(qū)，該區(qū)為典型的鞍山式富鐵礦床，又稱BIF型富鐵礦床，其賦礦地層主要為太古界鞍山群茨溝組，茨溝組為變質(zhì)巖系，其由老到新分別為下部角閃巖層、下含鐵層、中部鈉長變粒巖、上含鐵層和硅質(zhì)巖層組成。在研究區(qū)地表以下一定深度空間內(nèi)存在采富棄貧遺留的老舊采空區(qū)，也存在以前無序開采和濫采濫挖形成的采空區(qū)。由于處在地下潛水面以下而處于充滿水狀態(tài)，容易造成各類涌水和突水災(zāi)害事故。

4 充水型采空區(qū)探測實例研究

4.1 充水型采空區(qū)探測技術(shù)裝置和參數(shù)設(shè)定

據(jù)零星的已知資料推斷，該區(qū)采空區(qū)埋深在100m左右，不同于淺部60m以內(nèi)的采空區(qū)探測。因此，為了達(dá)到探測深度和精度，采用發(fā)射回線匝數(shù)在20匝以上，接收回線匝數(shù)在10匝以上，而回線線圈邊長采用4m。發(fā)射電流控制在5A，采用了256次數(shù)據(jù)測量疊加消除外部數(shù)據(jù)干擾，同時設(shè)置50Hz工頻干擾濾波，壓制和消除各類工頻電磁干擾。數(shù)據(jù)采集時間點窗口設(shè)定為89個，可以滿足該深度內(nèi)的探測要求。

圖1 井下鐵礦充水型采空區(qū)瞬變電磁法探測裝置示意圖

4.2 充水型采空區(qū)探測數(shù)據(jù)采集與處理

本次探測應(yīng)用研究共采集了47個數(shù)據(jù)點，獲取數(shù)據(jù)點的測線長達(dá)180m以上。對于采集到的充水型采空區(qū)的瞬變電磁法數(shù)據(jù)，主要采用以下的數(shù)據(jù)處理流程：第1步，導(dǎo)出探測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除數(shù)據(jù)異常點，剪切和數(shù)據(jù)濾波增強處理，消除各類因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)畸變；第2步，根據(jù)充水型采空區(qū)的地電特征，建立反演模型；第3步，對探測處理數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率反演計算和時間－深度轉(zhuǎn)換，繪制視電阻率值的剖面圖件；第4步，結(jié)合探測區(qū)已有各類數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行地電異常解譯（圖2）。

4.3 充水型采空區(qū)探測解譯與成果驗證

本文的充水型采空區(qū)探測成果見圖2，共圈出4處地球物理異常區(qū)，埋深在80m～120m之間。其中第1處異常區(qū)和第2處異常區(qū)為已知存在的巷道式充水型采空區(qū)，說明了本次探測試驗成果的有效性。對于未知的第3處和第4處的低阻異常區(qū)，結(jié)合已知探測研究區(qū)的零散礦體分布規(guī)律資料和有關(guān)的地質(zhì)-地球物理異常研究成果，可推測為充水型采空區(qū)。其中第3處已經(jīng)鉆探驗證，在100m深度出現(xiàn)充滿水的巷道式采空區(qū)，可對礦山隱患災(zāi)害點提前預(yù)警。第4處采空區(qū)異常因場地原因需做進(jìn)一步的工作。

研究表明明瞬變電磁法可以進(jìn)行井下鐵礦的隱伏充水型采空區(qū)的探測，可為井下鐵礦山的安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)成果和安全技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

（1）井下鐵礦充水型采空區(qū)可以采用瞬變電磁法進(jìn)行非接觸無損的精準(zhǔn)探測，可對礦山隱伏災(zāi)害點探測預(yù)警。

（2）依據(jù)不同埋深的探測目標(biāo)體，瞬變電磁法可以采用多匝重疊小回線裝置提高探測精度和深度，識別小規(guī)模、大深度的采空區(qū)。

圖2 井下鐵礦充水型采空區(qū)探測成果圖