地面電法勘探在礦山采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究

李 婷

（江西省地質(zhì)局普查綜合大隊(duì)，江西 南昌 330001）

礦產(chǎn)資源作為重要的工業(yè)原料，對(duì)其進(jìn)行開采和利用是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[1]。中國作為世界上最大的礦產(chǎn)資源生產(chǎn)國和消費(fèi)國之一，對(duì)礦產(chǎn)資源具有較高的依賴性，在長期的開采過程中，逐漸形成了分布范圍廣泛，存在位置多樣，存在形式復(fù)雜的地下采空區(qū)。不僅對(duì)礦山施工帶來了極大的安全威脅，對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了極其惡劣的影響[2]。由于大多數(shù)礦產(chǎn)資源都屬于不可再生資源，面對(duì)著越來越高的使用需求以及逐漸緊缺的資源存儲(chǔ)量，國家加強(qiáng)了對(duì)資源開采控制的力度，在此政策下，許多不符合開采要求的礦山都處于閉坑停產(chǎn)狀態(tài)[3]。在缺少維護(hù)的環(huán)境下，經(jīng)過長年累月的雨水浸透沖刷以及地表風(fēng)蝕作用，原本開采施工造成的采空區(qū)極易出現(xiàn)沉陷、塌陷的情況，這就在一定程度上加大了出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的可能性，是對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全的潛在威脅[4]。除此之外，部分不法分子在利益的驅(qū)使下對(duì)資源進(jìn)行非法開采，在不規(guī)范的生產(chǎn)操作下，造成的安全隱患更加不容忽視。由此可以看出，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效探測是十分必要的，其不僅對(duì)于后期的采空區(qū)治理工作具有重要的指導(dǎo)意義，也是切實(shí)關(guān)系到環(huán)境長期發(fā)展的重要舉措。

為此，本文進(jìn)行了地面電法勘探在礦山采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究，分析了采空區(qū)的地理特征，并根據(jù)不同類型采空區(qū)的特征，采用綜合的電法勘探方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的有效識(shí)別，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。通過本文的研究，以期為降低采空區(qū)的安全威脅提供有價(jià)值的參考。

1 采空區(qū)地球物理特征分析

要通過地面電法勘探的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山采空區(qū)的有效探測，首先要明確采空區(qū)的地球物理特性，為此，本文就此展開了詳細(xì)的研究。

首先，采空區(qū)是指地層中的礦產(chǎn)資源被開采后在巖層間形成的中空區(qū)域。由于巖層的重力垂直作用于采空區(qū)上方的巖壁上，而中空位置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)力的有效分擔(dān)，長此以往，就極易出現(xiàn)發(fā)生塌陷，造成采空區(qū)上層的覆巖出現(xiàn)平衡失衡的問題，水平方向上，也有發(fā)生巖移的可能性，導(dǎo)致巖石的完整性和連續(xù)性被破壞。同時(shí)，在外力的作用下，巖層出現(xiàn)裂隙的可能性也隨之增大，伴隨著破碎的發(fā)生，采空區(qū)上方的穩(wěn)定性會(huì)大大降低。如果采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地下環(huán)境沒有水文資源，泥質(zhì)物無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其的自我填充，則該處對(duì)在電阻率上表現(xiàn)出明顯變化，與完整巖石的電阻率相比偏高，當(dāng)電阻率值的差異不明顯時(shí)，會(huì)在巖層的整體屬性上出現(xiàn)變化，表現(xiàn)為電阻率等值線在一定范圍內(nèi)不規(guī)則波動(dòng)，當(dāng)電阻率差異明顯時(shí)，會(huì)有明顯的高阻特性；如果采空區(qū)通過人工的方式使用水、泥、土質(zhì)充填，則在電阻率上的表現(xiàn)為低于周圍完整圍巖，對(duì)應(yīng)的顯現(xiàn)出低阻特征。以此為基礎(chǔ)，以巖性的電阻率為基準(zhǔn)，可以將礦山劃分為三類，分別是電阻率較高的采空區(qū)，電阻率處于中間階段的礦層區(qū)以及電阻率較低的填充采空區(qū)。

本文重點(diǎn)研究采空區(qū)的探測，因此按照電阻率異常的電性特征，采空區(qū)又可分為三個(gè)主要的類型，分別是空洞型采空區(qū)，也就是開采后未經(jīng)處理，初始狀態(tài)的采空區(qū)，對(duì)應(yīng)的電性特征為高阻特性；第二類就是充填型采空區(qū)，主要是指實(shí)施大面積采掘完之后，形成的地下空洞在地下水的回灌作用下被充填的采空區(qū)，對(duì)應(yīng)的電性特征為低阻特性；最后一類為塌陷型采空區(qū)，主要是指在重力垂直作用及上覆巖層水平作用下，頂板出現(xiàn)變形、破碎及坍塌的采空區(qū)。在電性特征上，按照坍塌的程度分為兩種，當(dāng)空隙未被完全填充時(shí)，表現(xiàn)為高阻特性；當(dāng)空隙被完全填充時(shí)，表現(xiàn)為低阻特性。

2 礦山采空區(qū)探測

針對(duì)上述對(duì)采空區(qū)特征的分析結(jié)果，本文結(jié)合不同礦山的實(shí)際情況，進(jìn)行了礦山采空區(qū)探測方法的研究，根據(jù)電法勘探方法不同的優(yōu)勢(shì)，實(shí)施個(gè)性化探測。

2.1 巷道式開采區(qū)域的探測

巷道式開采的特征決定了其產(chǎn)生的采空區(qū)是連續(xù)范圍較長的形式存在的，為此，可以使用激電剖面法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行測量。作為一種激發(fā)極化法，激電剖面探測法是以地殼中不同巖、礦石在激電效應(yīng)中展現(xiàn)出的差異為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)測量的。在探測之前，首先通過人工的方式建立時(shí)間域或頻率域，使激電裝置產(chǎn)生的激電場在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)全面分布，再結(jié)合其分布的規(guī)律分析采空區(qū)的位置。在激電剖面測量結(jié)果中，當(dāng)出現(xiàn)異常主體時(shí)，對(duì)應(yīng)深度的受供電電極會(huì)反饋到激電裝置的接收端，深度距離越大，則接收到反饋的時(shí)間越長，通過這樣的方式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)所在位置的判斷。需要注意的是，在使用激發(fā)極化法探測采空區(qū)時(shí)，需要對(duì)礦山資源屬性進(jìn)行初步判斷，受激電信號(hào)的影響，在含硫礦物中反應(yīng)特別明顯，探測結(jié)果更加準(zhǔn)確。而在石英脈型金礦中則會(huì)受到明顯的干擾作用，反饋的信號(hào)在衰減作用下對(duì)降低極化效應(yīng)程度，導(dǎo)致探測結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2.2 大面積平坦區(qū)域的探測

在面積較大，地勢(shì)相對(duì)平緩的區(qū)域內(nèi)，采空區(qū)的分布位置難以得到有效判斷，此時(shí)需要更加高效的探測方法，高頻大地電磁法就是一種良好的選擇。其只要是利用太陽、風(fēng)、雷電等發(fā)射到地表的天然電磁場信號(hào)，經(jīng)該類信號(hào)作為探測的激發(fā)場源，當(dāng)?shù)V山地表介質(zhì)接收到該信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電磁場。此時(shí)，需要引入波阻抗，為了避免大地和水平層對(duì)測試結(jié)果的干擾，波阻抗大小以電場和磁場在水平方向上分量的比值為準(zhǔn)。激發(fā)場源和礦山的感應(yīng)場經(jīng)過空間張量疊加后，會(huì)在電磁場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速傳播，振幅在此過程中逐漸衰減，此時(shí)其在地下的趨膚深度會(huì)伴隨地層電阻率的變化而出現(xiàn)明顯波動(dòng)，得到的頻率值即可以作為采空區(qū)位置判斷的依據(jù)。當(dāng)頻率較高時(shí)，地層電性特征對(duì)應(yīng)偏高，也就是采空區(qū)；當(dāng)頻率較低時(shí)，地層電性特征對(duì)應(yīng)偏低，即為填充采空區(qū)。在具體的實(shí)施過程中，可以通過StrataGem電磁系統(tǒng)，運(yùn)用單點(diǎn)探測的方式先確定采空區(qū)的大致范圍，再結(jié)合連續(xù)剖面探測的方式確定采空區(qū)的具體位置，頻帶設(shè)置以4個(gè)頻組為宜：分別對(duì)應(yīng)0.1Hz-1kHz、10Hz-1kHz、300Hz-3kHz、1.5kHz -99kHz，以此最大限度降低干擾影響。

3 應(yīng)用測試

為考察本文提出的地面電法勘探的勘探方法的應(yīng)用效果，本文在某已知礦山采空區(qū)域進(jìn)行了勘探試驗(yàn)。

3.1 環(huán)境分析

實(shí)驗(yàn)礦山具有剝蝕、溶蝕的低山地貌特征，區(qū)域總長度為580m，現(xiàn)已施工的最大開采深度為39.2m。礦山表面有自然斜坡，坡度在15°～30°之間，局部有陡壁出現(xiàn)，但面積相對(duì)較小，在50m2～60m2之間。區(qū)域整體地形有明顯的起伏變化，地表被覆茂密的植被且工區(qū)上第四系坡殘積粉質(zhì)黏土特征明顯，淺層下伏基巖為二疊系中統(tǒng)吳家坪組灰?guī)r，中深層巖體主要為頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖硅質(zhì)巖夾頁巖。在軟硬程度上，不同區(qū)域巖體差異較大，地表出現(xiàn)的風(fēng)化差異較大。

本次試驗(yàn)按區(qū)域地勢(shì)特征分為了兩個(gè)探測區(qū)，根據(jù)已知鉆孔資料，其中1號(hào)探測區(qū)域的目標(biāo)探測深度為39.1m，范圍內(nèi)有明顯的斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下0m～0.6m地層，主要的土壤構(gòu)成為耕植土，地下0.6m～7.6m階段，以紅粘土和黃黏土為主，地下7.6m～13.8m的巖體類型開成呈現(xiàn)出明顯的白云巖，特征，到地下13.8m～19.5m處，開始有空溶洞出現(xiàn)，并伴隨有水文特征，地下19.5m～20.8m處，由于斷裂構(gòu)造的影響，巖體類型再次轉(zhuǎn)為白云巖，在地下20.8m～26m處，有明顯的充填溶洞出現(xiàn)，而地下26m～30.7m范圍內(nèi)，白云巖特征再次出現(xiàn)，并伴隨有少量破碎巖體，在地下30.7m～39.2m范圍內(nèi)，溶蝕破碎成為主要構(gòu)成，裂隙在該地城發(fā)育明顯，并呈帶狀分布。在2號(hào)探測區(qū)，目標(biāo)探測深度為36.2m，范圍內(nèi)地表表征相對(duì)平坦，未見明顯地勢(shì)構(gòu)造特征。在地下0m～0.4m階段，主要以耕植土為主，相對(duì)于1號(hào)探測去有0.2m差異，在地下0.4m～11.7m范圍內(nèi)，紅粘土為主要地質(zhì)構(gòu)成，伴隨有少量黃黏土，在地下11.7m～14.3m階段，有明顯的白云巖特征出現(xiàn)，到達(dá)地下14.3m～18.3m，是空溶洞的主要存在范圍，18.3～18.5處可以觀察到明顯的白云巖特征，蔓延至地下18.5m～22.9m，開支逐漸顯現(xiàn)出充填溶洞屬性，而到達(dá)22.9m～27.2m深度后，在此出現(xiàn)白云巖特征，地下27.2m～34m再次有明顯的空溶洞特征，直至34m～36.2m，白云巖特征出現(xiàn)。

根據(jù)上述已知資料分析，1號(hào)探測區(qū)有1個(gè)直徑6.1m的空溶洞和1個(gè)直徑為5.2m充填型溶洞；2號(hào)探測去有2個(gè)直徑分別為4m和6.8m的空溶洞和1個(gè)直徑為4.4m的充填型溶洞。

3.2 測試結(jié)果

以此為基礎(chǔ)，采用本文提出的方法對(duì)該礦山的采空區(qū)進(jìn)行探測，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 探測結(jié)果

從圖1中可以看出，本文的探測結(jié)果中，在1號(hào)探測區(qū)和2號(hào)探測區(qū)發(fā)現(xiàn)了明顯的空溶洞和填充型空洞特征，并且探測出的位置深度與已知結(jié)果一致，表明本文提出的探測方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的有效探測。

4 結(jié)語

礦山采空區(qū)的資源含量探測不僅關(guān)系到現(xiàn)有開采施工的推進(jìn)方向，也決定著施工的安全性。如何準(zhǔn)確判斷采空區(qū)的范圍、面積以及空間大小正逐漸受到越來越多的關(guān)注。本文提出地面電法勘探方法在礦山采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)信息的準(zhǔn)確采集，為礦山開采施工的安全性提供了可靠保障。