章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)的地球物理法應(yīng)用

鄭志宏 尹桂博

摘 要：山東章丘地區(qū)由于長(zhǎng)年累月的開采礦資源，造成了大面積采空區(qū)的形成，不僅嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)，還阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為了解決這一問題，現(xiàn)針對(duì)工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征，利用高密度電法相關(guān)裝置，根據(jù)等值現(xiàn)斷面圖相關(guān)參數(shù)，完成對(duì)粘土礦采空區(qū)的異常特征進(jìn)行全面比較，比較結(jié)果表明：通過將高密度電法相關(guān)裝置與三極裝置進(jìn)行充分結(jié)合，不僅可以精確反映出采空區(qū)的實(shí)際位置以及采空區(qū)的大致空間形態(tài)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的準(zhǔn)確探測(cè)。總之，通過將高密度電法與可控源音頻大地電磁法進(jìn)行充分結(jié)合，極大地提高粘土礦采空區(qū)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，使得地球物理法科學(xué)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和治理領(lǐng)域中，為促進(jìn)社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高密度電法;可控源音頻大地電磁法;粘土礦采空區(qū);山東章丘

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0140-04

Abstract：Due to years of mining resources in Zhangqiu area， Shandong Province， a large area of mined out area has been formed， which not only seriously affects the normal production of industry and agriculture， but also hinders the rapid development of local economy. In order to solve this problem， according to the geological and geophysical characteristics of the work area， the high-density electrical method is used to complete the construction according to the relevant parameters of the equivalent current section map The results show that： by fully combining the high-density electrical method device with the three pole device， it can not only accurately reflect the actual location of the goaf and the general spatial shape of the goaf， but also realize the accurate detection of the goaf. In a word， through the full combination of high-density electrical method and controlled source audio magnetotelluric method， the accuracy and authenticity of clay mine goaf detection results can be greatly improved， so that geophysical method can be applied to the field of geological disaster investigation and management， and lay a solid foundation for promoting the harmonious and stable development of society.

Key words：high density electrical method; controlled source audio frequency magnetotelluric method; clay mine goaf; Zhangqiu， Shandong Province

在我國國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高下，工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷增大，這無疑增加了對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量，在這樣的背景下，我國對(duì)礦產(chǎn)資源的開采量日益遞增。目前，山東章丘出現(xiàn)大面積采空區(qū)，盡管對(duì)該地區(qū)進(jìn)行回填處理，但是回填效果無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，仍然對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，為了科學(xué)探測(cè)粘土礦采空區(qū)位置，解決大面積采空區(qū)問題，如何將地球物理法科學(xué)應(yīng)用于章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)領(lǐng)域中是相關(guān)人員必須思考和解決的問題。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

該工作區(qū)的厚度達(dá)到了20m左右，四周的巖石內(nèi)部組成部分主要以粘土、粉質(zhì)粘土為主，部分地表電阻率較低，通常為20Ω·m左右，工作區(qū)以下屬于二疊系，其厚度相對(duì)較高，達(dá)到了30m左右，其巖性內(nèi)部主要組成部分以砂巖和泥巖為主[1]，其中，砂巖電阻率比較高僅達(dá)到了30Ω·m左右，泥巖電阻率相對(duì)較低，達(dá)到了30Ω·m蒙皮殼單元左右。該偵探區(qū)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)儆谡惩恋V采空區(qū)，經(jīng)過長(zhǎng)期的滲透風(fēng)化后，地表層內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到了極大的破壞，導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)塌陷問題，為了解決這一問題，現(xiàn)將地球物理法應(yīng)用于章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的有效保護(hù)。

2 章丘粘土礦采空區(qū)地球物理特性

站在物理角度，對(duì)采空區(qū)所處的地質(zhì)條件以及物理特性進(jìn)行分析，得出以下幾個(gè)采空區(qū)地球物理特性。

（1）當(dāng)山東章丘形成大面積的采空區(qū)后，該區(qū)域的電阻率會(huì)呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從而形成具有高電阻體的采空區(qū)，使得該區(qū)域四周的巖性出現(xiàn)較大的差異，此時(shí)，需要采用地球物理法，對(duì)采空區(qū)的物體特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)具有良好的物理?xiàng)l件，當(dāng)采空區(qū)的塌陷問題解決后，該區(qū)域的電阻率會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì)。與多金屬礦體相比，通過使用高密度電法，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充處理后，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的探測(cè)難度不斷增大。

（2）礦產(chǎn)資源通常具有良好的導(dǎo)電性能，因此，在使用高密度電法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要保證巖體具有良好的導(dǎo)電性，只有這樣，才能保證采空區(qū)的探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

（3）當(dāng)山東章丘采空區(qū)經(jīng)過開采和挖掘后，該區(qū)域的土地質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)虧損現(xiàn)象，導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)塌陷問題，使得采空區(qū)一直處于不充水狀態(tài)，此時(shí)，采空區(qū)的質(zhì)量虧損值一直保持不變，但是負(fù)密度值卻大幅度下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響了采空區(qū)的厚度值，當(dāng)采空區(qū)進(jìn)入到充水狀態(tài)后，發(fā)現(xiàn)虧損質(zhì)量得以有效改善。

3 勘查技術(shù)方法及效果比較

3.1 工作布置

在這一環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員要根據(jù)地質(zhì)資料，做好對(duì)采空區(qū)情況以及施工現(xiàn)場(chǎng)條件的大致了解，同時(shí)，還要采用高密度電法開展相關(guān)工作[2]，當(dāng)重點(diǎn)偵查區(qū)被全面檢查完畢后，可以進(jìn)入到可控源音頻大地電磁環(huán)節(jié)中，然后，還要將地球物理法測(cè)網(wǎng)的長(zhǎng)寬分別設(shè)置為20m、5m，并使用11條測(cè)線，確保所檢測(cè)的剖面長(zhǎng)度達(dá)到3050m。此外，還要將可控源音頻大地電磁法測(cè)網(wǎng)的長(zhǎng)寬分別設(shè)置為20m、10m，當(dāng)兩種方法所檢測(cè)到的測(cè)線發(fā)生重合現(xiàn)象后[3]，完成對(duì)8條測(cè)線的布設(shè)工作，此時(shí)，將剖面長(zhǎng)度控制在1459m以上，利用RTK實(shí)測(cè)軟件，得到采空區(qū)的具體位置。同時(shí)，還要使用瞬變電磁儀器，采用瞬變電磁法，完成對(duì)章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)結(jié)果的精確測(cè)量，瞬變電磁法技術(shù)參數(shù)選定如表1所示。

高密度電法測(cè)量結(jié)果如圖1所示。 從圖中可以看出， 300m×300m框符合本區(qū)工作開展需求。

3.2 高密度電法

3.2.1 高密度電法原理及優(yōu)點(diǎn)

高密度電法作為一種常用的地球物理法，主要用于對(duì)被測(cè)目標(biāo)體育周圍介質(zhì)之間導(dǎo)電性能的偵探。當(dāng)采用人工方式對(duì)地下的直流電場(chǎng)進(jìn)行加載處理時(shí)，需要使用事先設(shè)置好的電極系，完成對(duì)該區(qū)域電場(chǎng)分布情況的觀測(cè)。這種方法具有自動(dòng)化控制水平高、采集信息量大成本地、便捷高效等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于采空區(qū)探測(cè)領(lǐng)域中，為進(jìn)一步提高采空區(qū)的探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性創(chuàng)造良好的條件。

3.2.2 裝置選擇

在對(duì)裝置進(jìn)行選擇的過程中，相關(guān)人員要嚴(yán)格遵循裝置操作簡(jiǎn)單、使用成本低、經(jīng)濟(jì)適用等原則，選出合適的裝置。此外，為了精確地分析和對(duì)比多種裝置對(duì)采空區(qū)異常特征的影響，相關(guān)人員要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工相關(guān)條件，選出以下3種裝置，分別是溫納裝置、施貝裝置和三極裝置，并將各個(gè)裝置之間的間距控制在5m以上。

3.2.3 不同裝置斷面圖比較

溫納裝置、施貝裝置和三極裝置所對(duì)應(yīng)的等值線斷面圖形態(tài)基本保持一致，但是，在粘土礦采空區(qū)內(nèi)，這3種裝置所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)低阻異常能力卻出現(xiàn)力極大的差異[4]。其中，溫納裝置所對(duì)應(yīng)的電阻率等值線呈現(xiàn)出比較平緩的變化趨勢(shì)，對(duì)于低阻體而言，往往呈現(xiàn)出靈敏度差、分辨率差等問題，因此，不符合探測(cè)小面積采空區(qū)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。施貝裝置所對(duì)應(yīng)的電阻率等值線呈現(xiàn)出比較變化趨勢(shì)比較明顯[5]，對(duì)于低阻體而言，往往表現(xiàn)出靈敏度強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，因此，該裝置符合小面積采空區(qū)的探測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。三極裝置所對(duì)應(yīng)的電阻率等值線與溫納裝置比較類似，對(duì)于低阻體而言，具有相對(duì)較高的靈敏度和分辨率，符合小面積采空區(qū)探測(cè)相關(guān)需求。

3.3 可控源音頻大地電磁法

3.3.1 可控源音頻大地電磁法原理及優(yōu)點(diǎn)

可控源音頻大地電磁法作為一種常用的電磁法，主要借助人工控制的方式，對(duì)場(chǎng)源的實(shí)際頻率值進(jìn)行測(cè)定，這種人工場(chǎng)源測(cè)定法可以有效地突破場(chǎng)源信號(hào)弱等弊端，不僅可以實(shí)習(xí)對(duì)電磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的科學(xué)調(diào)整和控制，還能保證電磁波傳輸效率，為實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)頻率值的精確探測(cè)產(chǎn)生積極的影響。該方法具有操作效率高、操作效果顯著、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以增大采空區(qū)深度偵探范圍，采空區(qū)深度偵探范圍通常在2～3km之間，水平方向所對(duì)應(yīng)的分辨能力較高，為實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的立體觀測(cè)，進(jìn)一步提高采空區(qū)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性發(fā)揮出重要作用。因此，相關(guān)人員要重視對(duì)可控源音頻大地電磁法的應(yīng)用，只有這樣，才能確保采空區(qū)探測(cè)工作能夠正常、穩(wěn)定、有序地開展。

3.3.2 可控源音頻大地電磁法具體應(yīng)用

在可控源音頻大地電磁法應(yīng)用下，所得到的等值線斷面圖信息如下：反演深度范圍在29～99m之間，變化趨勢(shì)比較明顯的低阻區(qū)域達(dá)到了3處，這3處的剖面長(zhǎng)度范圍分別為49～84m、110～139m、161～176m，其中，在49～84m范圍內(nèi)，所對(duì)應(yīng)的低阻變化趨勢(shì)最為明顯[6]，等值線斷面圖呈現(xiàn)出“V”字形，由此可見，當(dāng)反演深度在29～99m之間時(shí)，會(huì)形成大面積的采空區(qū)，在110～139m范圍或者161～176m范圍內(nèi)，反演深度在39～99m之間所形成等值線斷面圖會(huì)呈現(xiàn)出“U”字形狀。

3.4 高密度電法與可控源音頻大地電磁法異常比較

通過將3線高密度電法所對(duì)應(yīng)的等值線斷面圖與可控源音頻大地電磁法二維反演所對(duì)應(yīng)的等值線斷面圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在兩種不同方法下，均可以精確地反映出剖面比較突出的低阻異常問題。對(duì)于高密度電法而言，當(dāng)剖面長(zhǎng)度在49～84m之間時(shí)，可以真實(shí)地反映出比較完整的異常問題，如低阻“V”型異常問題和低阻“V”型異常問題，對(duì)于可控源音頻大地電磁法而言，其二維反演所對(duì)應(yīng)等值線斷面圖出現(xiàn)的異常問題，通常在深度和寬度兩個(gè)方面所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)更為明顯，與高密度電法所對(duì)應(yīng)的異常問題相比較而言，第二個(gè)異常問題較為突出，但是，從深度和空間兩個(gè)方面上分析，發(fā)現(xiàn)可控源音頻大地電磁法所反映的突出問題往往比較直觀、形象。總而言之，無論是高密度電法，還是可控源音頻大地電磁法，在具體的應(yīng)用中，均可以精確地反映出低阻異常問題所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置，為精確地顯示采空區(qū)的實(shí)際空間形態(tài)提供重要的依據(jù)和參考。

3.5 物探推斷成果

當(dāng)山東章丘形成的采空區(qū)面積較大時(shí)，整個(gè)采空區(qū)區(qū)域會(huì)形成3塊比較大的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)所對(duì)應(yīng)的垂向深度信息如下，頂部埋入深度在29～37m之間，底部埋入深度在47～79m之間，同時(shí)，整個(gè)采空區(qū)埋深高度由北向南不斷加深[7]。

4 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)最終的地球物理法推斷結(jié)果，將驗(yàn)證孔布置為3個(gè)，其中一個(gè)驗(yàn)證孔被推測(cè)為無粘土采空區(qū)，其孔號(hào)為K1，另外兩個(gè)驗(yàn)證孔被推測(cè)為有粘土采空區(qū)，其孔號(hào)分別為K2、K3。其中，K1孔主要位于高密度電法剖面119m位置處，通過利用地球物理法，所對(duì)采空區(qū)的深度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其深度范圍在33～79m之間，經(jīng)過鉆探驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)3段采空區(qū)，這三段采空區(qū)長(zhǎng)度范圍分別為36.69～42.00m、43.19～46.69m、70.00～73.00m，最終鉆探孔深度達(dá)到了103m，與地球物理法所得到的鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合[8]。K2孔主要位于7線位置處，所對(duì)應(yīng)的地球物理法剖面長(zhǎng)度達(dá)到了142m，地球物理法所推測(cè)的采空區(qū)深度范圍在34m～72m之間，經(jīng)過鉆探驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)3段采空區(qū)，這三段采空區(qū)長(zhǎng)度范圍分別為36.19～40.12m、46.00～51.00m、62.00～67.32m，最終鉆探孔深度達(dá)到了101.39m，與地球物理法所得到的鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合。K3孔主要位于5線位置處，所對(duì)應(yīng)的地球物理法剖面長(zhǎng)度達(dá)到了192m，地球物理法所檢測(cè)的位置不存在任何采空區(qū)，經(jīng)過鉆探驗(yàn)證后，在采空區(qū)的31.39～32.35m深度范圍內(nèi)所達(dá)到的采空回填土深度達(dá)到了0.79m，此時(shí)，孔鉆最終深度達(dá)到了100.62m，與，與地球物理法所得到的鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語

綜上所述，通過將地球物理法應(yīng)用于章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)領(lǐng)域中，得到以下結(jié)論：

（1）通過將高密度電法與大地電磁閥進(jìn)行充分結(jié)合，不僅可以起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，還能快速精確地計(jì)算和推斷出粘土礦采空區(qū)的實(shí)際空間位置。

（2）在高密度電法應(yīng)用下為了保證采空區(qū)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，相關(guān)人員除了要選擇合適的探測(cè)裝置外，還要在保證實(shí)驗(yàn)剖面成果的前提下，選出3種常用常用裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粘土礦采空區(qū)異常形態(tài)的科學(xué)測(cè)量，然后，根據(jù)相關(guān)資料，精確推斷出采空區(qū)實(shí)際狀態(tài)。

（3）利用可控源音頻大地電磁法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)的過程中，要科學(xué)控制和調(diào)整探測(cè)網(wǎng)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)，還要將測(cè)網(wǎng)埋藏深度控制在100m以下，只有這樣，才能精確地得到采空區(qū)的真實(shí)空間形態(tài)。

（4）對(duì)于粘土礦采空區(qū)而言，其周圍巖石出現(xiàn)低阻值問題時(shí)，相關(guān)人員要充分考慮采空區(qū)的實(shí)際位置，并分析和解決等值線斷面圖出現(xiàn)的低阻值異常問題。

參考文獻(xiàn)

[1]宋希利，宋鵬，田明楊，等.地球物理方法在章丘粘土礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用與方法對(duì)比[J].山東國土資源，2014，30（9）：76-78+83.

[2]趙樂濤，王永章，韓良德，等.應(yīng)用于鐵礦采空區(qū)探測(cè)的地球物理方法概述[J].西部探礦工程，2011，23（01）：112-114.

[3]王碩，吳波，王健，等.應(yīng)用于采空區(qū)探測(cè)的地球物理方法概述[J].科技信息，2009（024）：76.

[4]王善勛，楊文鋒，張衛(wèi)敏，等.瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2012，9（4）：400-405.

[5]薛國強(qiáng)，潘冬明，于景邨.煤礦采空區(qū)地球物理探測(cè)應(yīng)用綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2018，33（05）：2187-2192.

[6]范殿貴.硬質(zhì)粘土礦廢石回填采空區(qū)的探討[J].礦業(yè)快報(bào)，2000（14）：12-13.

[7]任鵬.采空區(qū)影響下紅粘土邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2020.

[8]焦小石.地球物理探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2018（11）：182-183.