利用综合物探法精准探测弓长岭露天矿采空区

张德辉 朱帝杰

(1.鞍钢矿业集团弓长岭露天矿，辽宁 辽阳111008;2.中国矿业大学( 北京) 力学与建筑工程学院，北京100083)

近年来，地球物理方法在矿区采空区探测方面得到了广泛应用，应用较多的方法有浅层地震法［1-3］、电磁波法［4-6］、电阻率法［7-11］等。大量学者对此进行了研究，李文等［12］结合高密度电阻率法、瞬变电磁法、EH－4 大地电磁法和浅层地震法等4 类地面采空区探测技术探明了鄂尔多斯矿区采空区的分布范围和安全隐患;赵国彦［13］结合高密度电阻率法和地震映像法，利用分形理论对金属矿隐覆采空区进行了探测;门业凯等［14］综合运用高密度电阻率法和地震映像法对露天铁矿采空区进行了探测，很大程度上解决了探测盲区、易受干扰和定位困难的问题。随着物探技术的发展，出现了三维地震法、井下地震波法、三维高密度电法、地质雷达法、红外测水法、核磁共振测水法、测氡法等新方法。李娟娟等［15］从地球物理特征入手，分析浅层地震法、探地雷达法和可控源音频大地电磁测深法对采空区进行探测的基本原理，并结合工程实例证明了三者的可行性并分析了各自特点;刘军等［16］运用GPS RTK、静态定位和C－ALS 三维激光探测系统，研究了基于GPS、三维激光扫描技术的露天矿山采空区探测工艺;刘希灵等［17］运用空区激光三维探测仪从地表对地下不可进入的采空区进行了三维探测，探测结果较直观地显示了所测采空区的形状;邓世坤等［18］利用地质雷达对露天采矿场地下不明空区进行了探测;刘敦旺等［19］利用活性炭测氡法，并结合瞬变电磁法对古交市南岩村山鑫煤矿采空区进行了探测，论述了活性炭测氡法探测采空区的可行性。

弓长岭露天铁矿具有特殊的地质、地球物理特征以及采空区赋存状态的复杂性特征［20-21］:①弓长岭铁矿床为沉积变质型铁矿床，形成于25 亿a 以前的新太古代时期，在漫长的地质历史过程中，发生了多期次不同程度的变质、构造、岩浆活动，多期次褶皱构造发育，矿体产状变化大，多级别、多组断裂切割矿体，岩层破碎强烈，不同地质体的地球物理特征差异较大，复杂的地质条件造成了该区地球物理条件的复杂性，给采空区的精准判别带来巨大影响;②采空区多位于采矿生产区域，环境复杂、生产车辆多、人员往来频繁以及生产活动产生的大量振动、游离电荷和电磁干扰严重影响了地球物理场的稳定性;③采空区规模变化较大，赋存层位杂乱，无一定的规律，影响了对采空区的准确识别。对此，将高密度电阻率法和瞬变电磁法相结合，构建了综合物探模型对该矿采空区进行精准探测。

1 工程概况

弓长岭矿区为露天开采区，岩石为变质岩，矿体赋存于褶皱部位，围岩破碎强烈。矿区岩性变化大、构造发育和场地条件复杂，场地房屋建筑、果园、树林和灌木丛、河流、车辆、电线杆和矿坑塌陷等障碍物较多。本研究布置的测线:①高密度电阻率法，共完成测线18 条，总线长约7.6 km;②瞬变电磁法，共完成测线21 条，总线长约3.3 km。采空区与围岩存在导电差异，具备采用电法探测采空区的地球物理前提。由于采空区较少含水，瞬变电磁法和高密度电阻率法的异常显示为局部高阻异常。

2 采空区探测

2.1 高密度电阻率法

2.1.1 模型参数选择

针对铁矿山采空区的地质特征，采用高密度电阻率法装置中的温纳、偶极、单边三极等装置采集数据，建立分析模型。为减小误差，获取岩(矿)石现场电阻率值，采用露头法测量。结合该区域内岩(矿)体分布情况，模型中设定矿体电阻率为1 000 Ω·m，围岩及夹石的电阻率为2 000 Ω·m，采空区电阻率为10 000 Ω·m，采空区充水情况下电阻率由水决定，为10 Ω·m。根据现场实际情况，只有宽度超过4 m的采空区才对生产构成危害，因此在保证探测深度与精度的前提下，极距设为4 m，电极数设为60，最小隔离系数设为1，最大隔离系数设为19，测深达76 m。

2.1.2 电阻率异常数值模拟

根据电性特征，地下采空区可分为高阻采空区和低阻采空区2 类。通过建立矿体高、低阻单、双采空区模型、围岩高、低阻单、双采空区地电模型和复杂地质条件下高、低阻单、双采空区地电模型，研究采空区的分布规律。矿体高、低阻双采空区模型数值模拟结果见图1、图2。由图1、图2 可知:①高密度电阻率法的各种探测装置对高阻采空区的探测效果较好，对低阻采空区的探测效果相对较差;②高密度电阻率法的各种探测装置可有效确定采空区顶板埋深，但对采空区特别是低阻采空区底板的区分能力较差;③对于水平叠加的采空区，偶极和单边三极装置区分能力较强，温纳装置的区分能力较差;④在模拟条件下，对采空区的探测效果，单边三极装置优于偶极装置，偶极装置优于温纳装置，但单边三极、偶极装置的抗干扰能力及稳定性较差，温纳装置抗干扰能力和稳定性较好。

2.2 瞬变电磁法

根据采空区探测的特点，采用TEMPlot 软件对采集的探测数据进行初步质量评价和处理，采用Surfer软件进行探测数据的可视化处理，采用IX1D 软件对探测数据的处理结果进行正反演验证。

2.2.1 探测数据处理

随着灵敏度的提高，瞬变电磁法的抗干扰能力必然减弱，因此有必要对采集的探测数据进行适当的增强处理，以剔除假异常。在此基础上，采用瞬变电磁工作站软件对探测数据进行系统处理。

图1 矿体中高阻双采空区模型数值模拟结果Fig.1 Simulation result of high-resistance double goafs

(1)应用“滤波”和“编辑”模块，对探测数据进行剪切处理，提取探测数据处理所需部分，并对探测数据进行滤波处理，消除干扰，增强异常。滤波主要针对探测数据的特点，进行衰减趋势、畸变道消除和过度过程消除滤波，有时应根据探测数据的质量和干扰因素，进行一定参数的测道圆滑和测点圆滑处理。

(2)显示其感应电动势剖面图，据此进行初步定性解译。

(3)结合探测数据采集时的工作装置和相关参数，建立供瞬变电磁工作站软件进行正反演计算的数据文件，便于进行正反演计算，获取较直观的探测数据处理结果。

图2 矿体中低阻双采空区模型数值模拟结果Fig.2 Simulation result of low-resistance double goafs

(4)探测数据的反演计算，主要针对上述处理结果形成的数据文件，对整条测线上的数据点进行一维反演，得出测线上每点一定深度下的电阻率变化信息。还可进一步进行可视化处理，使处理结果更加直观，便于地质解译。

2.2.2 探测数据处理结果验证

采用瞬变电磁反演软件IX1D，对于区内某测线，在10 ～50 m 区域内选取2 个测点的数据进行反演和拟合计算。结果表明:该2 个测点在25 ～120 m 处均出现明显高阻异常，与瞬变电磁工作站软件处理结果一致，反应出该软件处理后的探测数据较为可靠。

2.3 综合解译

高密度电阻率法测线横贯测区东西，大部分测线出现3 处局部高阻异常。基于温纳剖面法的1#测线和8#测线解译结果见图3。

图3 高密度电阻率法部分探测成果Fig.3 Part of the detection results of high density resistivity method

根据异常圈定的采空区带的范围和高度，不排除在采空区带内存在多层采空区和矿柱的可能。为此，进行了高密度电阻率法与瞬变电磁法的综合解译，基于温纳剖面法的5#测线综合解译结果见图4。

图4 5#测线高密度电阻率法和瞬变电磁方法的综合解译结果Fig.4 Comprehensive interpret results of high density resistivity and transient electromagnetic method of 5# measuring line

根据上述解译成果，在弓长岭铁矿区共圈定了KQ01、KQ02、KQ03 3 个浅部采空区和KQ04、KQ05 2个深部采空区。KQ01 采空区位于测区西部，规模较小，宽约30 m，顶板埋深约40 m，采空区顶底板间厚约30 m，由北向南埋深变浅;KQ02 采空区位于测区中部，规模较大，中部有分叉现象，宽约70 m，顶板埋深约40 m，采空区顶底板间厚约40 m，由北向南埋深变浅;KQ03 采空区位于测区东部，规模较小，宽约30 m，顶板埋深约60 m，采空区顶底板间厚约30 m。KQ04、KQ05 深部采空区主要是根据瞬变电磁5#、6#、7#、11#线的异常圈定的，在11#测线80 ～170 m 处出现埋深约140 m 的高阻异常，为KQ04 采空区的显示;在5#、6#、7#测线上出现埋深约140 m 的高阻异常，为KQ04 、KQ05 采空区的显示，总体顶板埋深约140 m。总体来看，KQ05 采空区规模较小，KQ04 采空区规模较大。

3 结 语

针对弓长岭露天铁矿采空区，建立了高、低阻单、双采空区模型，将用于不同地质条件和目标的高密度电阻率法与瞬变电磁法相结合，建立了同一地质体的地质及地球物理识别模型，实现了对矿区深部采空区和浅部采空区的精准探测。探测结果说明，采用综合物探法能够对采空区的位置和范围等信息进行准确探测，具有一定的实用性。

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