高密度電法及瞬變電磁法在礦山開采區(qū)域中的應(yīng)用

楊生文，徐 林，張風榮，戴曉明

（貴州煤田地球物理勘探有限責任公司，貴州 貴陽 550001）

隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采和利用，采空區(qū)地面塌陷和地表水沉降等一些地質(zhì)問題也隨之出現(xiàn)；加上礦山工程的大規(guī)模施工發(fā)展，礦產(chǎn)采空區(qū)的存在，嚴重影響人們安全和造成國家和個人的財產(chǎn)損失，我國是基建大國采空區(qū)的排查和治理更是迫在眉睫。

目前，對采空區(qū)的探測主要以物探方法為主，再結(jié)合地質(zhì)、鉆探的方法驗證。物探方法常用的有：高密度電阻率法、瞬變電磁、地質(zhì)雷達、地震、微動等方法，由于勘探深度、地形地質(zhì)條件及周圍環(huán)境的影響，每一種方法都有它的優(yōu)點與缺點。其中，高密度電阻率法在采空區(qū)、地面塌陷區(qū)、巖體結(jié)構(gòu)探測等方面應(yīng)用最廣泛，其顯著特點是施工快捷、數(shù)據(jù)量大、分辨率較高、圖像直觀[1]，效率最高，但探測深度較淺，對地形條件要求較高，容易受地表高、低阻的屏蔽，影響勘探結(jié)果。瞬變電磁法具有勘探深度大、穿透高阻地層能力強、由于采用人工源方法，隨機干擾影響小、受地形影響小等優(yōu)點，由于對低阻體反應(yīng)靈敏，是水文地質(zhì)勘探的主要物探方法。其中大定源回線瞬變電磁法具有信號強度大，橫向分辨率高等優(yōu)點[2]，但淺部為盲區(qū)。因此，本文采用高密度電阻率法和瞬變電磁法對某礦山采空區(qū)進行探測，取得了較好的效果。

1 高密度電阻率法和瞬變電磁法

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法的工作原理，是在地表敷設(shè)不接地線框，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開后測量純二次場，在下半空間就要激勵起感應(yīng)渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈或地面中心探頭測量二次渦流磁場或電場的變化情況，可用以研究地下的地電結(jié)構(gòu)，由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數(shù)據(jù)的保真度更高。

1.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種直流電法，是基于電測深和電剖面的高效的陣列方法[3]，原理上同電測深法原理相同。電測深法是在同一測點上逐次增大供電電極距，使勘探深度由小逐漸加深，于是可觀測到測點處沿深度方向上由淺至深的視電阻率的變化規(guī)律。

通過對反映地電斷面變化的電測深曲線的分析，可以了解深度方向上地質(zhì)剖面的特征。高密度電阻率只不過是對電測深的加密，有密集的數(shù)據(jù)、更加高效直觀的反映出地下地質(zhì)體的電性特征，在野外工作簡單、快捷，可以在相同的工區(qū)選擇不同的裝置測量，進行分析對比；是解決淺部地質(zhì)問題最為重要的一種物探方法。

2 工程概況

2.1 項目簡述

某研究礦區(qū)在礦產(chǎn)1礦界之內(nèi)，以西有礦產(chǎn)2存在，以前相關(guān)單位對該地段地采空區(qū)專項評價報告顯示：“區(qū)域北部塊段礦層最小埋深大于縱向影響深度，采空區(qū)對擬建工程不產(chǎn)生影響，南部塊段礦層最小埋深小于縱向影響深度，礦層開采對擬建工程可能產(chǎn)生影響”，但工程完工一個多月，發(fā)現(xiàn)樁號：K70+789.5至K70+996.5，從K70+896至K70+789.5段有四個基礎(chǔ)樁基向小樁號沉降量逐漸增大，沉降量7cm～47cm。

施工單位和專家懷疑礦區(qū)施工基礎(chǔ)可能存在礦產(chǎn)采空區(qū)，所以，對該地段采用物探和鉆探相結(jié)合的辦法，查明采空區(qū)的位置，以便消除安全隱患。

2.2 工區(qū)地質(zhì)概況

測區(qū)位于四川盆地西南邊緣，西靠高山地區(qū)，東臨丘陵盆地區(qū)，區(qū)域的地形特征為西高東低，屬中低山—丘陵地形。

調(diào)查區(qū)內(nèi)的地層巖性較為復(fù)雜，主要出露以下地層：

第四系，主要是殘積堆積物，厚0m～4m，成分為角礫、砂、粘土及其它松散巖體。富水性較好，由于其厚度薄，含水量少，對礦井充水影響較小。

侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組（J2xs）、侏羅系中統(tǒng)新田溝組（J2x），巖性為泥巖、砂巖互層，地表井、泉出露較多動態(tài)隨氣候變化。泥巖常成為隔水段，含水性較弱。

侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2z），巖性為泥巖、頁巖夾灰?guī)r，其中灰?guī)r裂隙巖溶發(fā)育，為裂隙巖溶含水層，含水性較強。其間夾的泥頁巖為相對隔水層，且距含礦資源系較遠。

侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z），巖性為粘土巖、石英砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層。富含碎屑巖裂隙水及孔隙水，砂巖風化及構(gòu)造裂隙發(fā)育。

三疊系須家河組（T3xj），下部為灰白色厚層狀中～粗粒長石石英砂巖；中部為灰、深灰色水云母粘土巖、炭質(zhì)頁巖，頂部為泥質(zhì)砂巖及細砂巖。測區(qū)礦產(chǎn)開采礦層K9、K10d號礦層位于其中，大部分為可采礦層，厚度為0.25m～0.88m，平均礦層厚0.66m。

2.3 結(jié)果分析

本文將測線9、10線瞬變電磁法和高密度電阻率法的成果進行分析對比。本次的瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集采用大定源回線裝置進行，發(fā)射的線圈為400×600m，點距為10m。高密度電法點距為10m，主要布置在施工區(qū)域以北的主要下沉位置；礦區(qū)以北有礦區(qū)1、2的已知采空區(qū)，采集裝置是通過探測一直采空區(qū)所確定。

如圖1所示，9線瞬變電磁成果，地表及淺部為高阻，為該方法的盲區(qū)；在點位小號至470m，標高在250m至230m段，有呈橫向的相對低阻異常，推斷為采空區(qū)，由礦區(qū)1所采；礦區(qū)中軸線下方，有較明顯的低阻范圍，為金屬構(gòu)建干擾所致。結(jié)合高密度成果圖，在點位小號至470m，標高在250m至230m段，有相應(yīng)的地阻異常，但在縱向上異常不明顯，效果較差。

圖1 9線瞬變電磁和高密度電阻率成果圖

圖2所示，同樣地表及淺部為高阻，為該方法的盲區(qū)；在點位小號至500m，標高在250m至230m段，有橫向上的相對低阻異常，推斷為采空區(qū)充水或泥的影響范圍，為礦區(qū)1所采，在點位520m至大號方向，標高在260m至240m段，有相對低阻異常，推斷采空區(qū)發(fā)育，為礦區(qū)2所采。結(jié)合高密度成果圖，在點位小號至500m，標高在250m至230m段，有低阻異常，但相對于瞬變電磁法，分辨率較差，在縱向上不能區(qū)分；在點位520至大號方向，標高在260m至240m段，有團塊狀低阻異常，推斷為礦山2采空區(qū)，與瞬變電磁法較吻合。

礦區(qū)及部分區(qū)域處于礦區(qū)1采空區(qū)之上，開采礦層為k10d和k9礦層，發(fā)育標高在250m至230m處；推斷礦山施工區(qū)域的下沉是由采空區(qū)造成。

3 結(jié)論

礦山施工采空區(qū)的存在，呈低阻異常，初步推斷為采空區(qū)充水；一些松軟土層及充水裂隙也呈低阻異常，與采空區(qū)異?；煜?，增加了解釋難度。

對于瞬變電磁法和高密度電法：瞬變電磁法橫向分辨率高與高密度電法，高密度電法縱向分辨率較好；高密度電法淺部分辨率較好，可信度高于瞬變電磁法，但隨著深度的增加，分辨率變低，異常范圍擴大。瞬變電磁法和高密度電阻率法綜合利用，可以解決淺部至深部采空區(qū)地質(zhì)問題。

地表金屬、電纜等，對瞬變電磁法的影響較大，而高密度電阻率法對金屬等抗干擾能力優(yōu)于瞬變電磁法。