应用物理勘探技术探测大宝山矿盲采空区的试验研究

陈学军，刘 静，赵子巍

(1.广东省大宝山矿业有限公司， 广东 韶关市 512127；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

应用物理勘探技术探测大宝山矿盲采空区的试验研究

陈学军1，刘 静2，赵子巍2

(1.广东省大宝山矿业有限公司， 广东 韶关市 512127；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

采用音频电磁测深法和地面五极纵轴激电测深法，对广东省大宝山矿业有限公司铜矿分公司北采区部分区域进行了物理探测试验，有效论证了音频电磁测深法在大宝山矿区探测采空区的可行性，并查明矿山指定区域内埋深50 m范围内采空区的分布及规模，为采空区钻探及治理提供了依据。

音频电磁测深；地面五级纵轴激电测深；空区；电阻率；极化率

0 引 言

大宝山矿业有限公司铜矿分公司露天采场下部存在许多不明采空区，对矿山生产构成严重的安全隐患。为了寻找探测地下不明采空区位置及规模的有效方法，并在未来开展大面积不明采空区探测，结合矿山生产与年度计划要求，为采空区钻探及治理提供依据，大宝山矿业有限公司委托长沙矿山研究院有限责任公司开展北采区部分区域物理探测试验研究，使用了音频电磁测深法和地面五极纵轴激电测深法，有效论证了音频电磁测深法在大宝山矿区探测采空区的可行性，并查明矿山指定区域内埋深50 m范围内采空区的分布及规模，为采空区钻探及治理提供依据[1￣6]。

1 物性前提分析及探测方法介绍

根据岩矿石电磁特征的普遍规律和工作区的地质条件，区内存在用音频电磁测深法和五极纵轴激电测深法探测采空区的物性前提，主要体现为以下4个方面：

(1) 测区地层为浅部的铁矿体和深部的层状铜、铅、锌、硫多金属矿体，为低电阻率地层，而无水采空区电阻率高。

(2) 无水采空区具有一定的规模，会在测线电阻率断面图中显示电阻率曲线呈圆形和椭圆形分布，且电阻率值较高。区内各地层中存在的短暂性(探测期间)充水空区具有较低的电阻率，相对较低的极化率，与围岩存在物性差异。

(3) 区内存在的黄铁矿(化)体及硫化矿物等，其电阻率值较低，但其极化率较高，且在该矿区分布范围广，产状平缓。

(4) 常年积水的老空区，电阻率很低，同时因硫酸根离子含量高，极化率高，其物性参数与围岩差异不大，所以很难从电性参数及极化率参数加以区别。

音频电磁测深探测是利用天然的电磁场穿过非均质的大地介质时产生的与天然电磁场同频率的感应电磁场，电磁场在大地传播时，会引起电场的梯度变化，同时又引起磁场的垂直分量变化，其振幅衰减与穿过的地层深度存在关系，衰减速度与穿过的地层电阻率以及天然的频率亦有关联。地下构造、岩溶、矿体以及采空区的探测运用这一原理来实施，多年的实践证实，在无干扰或干扰很小的情况下，探测效果非常理想。该方法的主要缺点为高压线干扰严重，有高压线区域几乎无法接收有用信息。

本矿矿体围岩黄铁矿化、硫铁矿化严重，呈现出低阻高极化特征，而无水空区呈现高阻低极化特征，常年性积水空区因含硫酸根离子高，也呈现低阻高极化特征，与矿体物性参数接近，短暂性积水空区呈现低阻低极化特征。虽然音频电磁测深在无干扰的条件下，效果很好，但它只能采集到视电阻率数据，无法区别异常性质，即在本矿无法区别积水空区和矿体(或矿化岩体)。而地面五极纵轴激电测深，可探测视电阻率和极化率两个参数，从理论上分析，它可区别短暂性积水空区和矿体。

2 物探试验设计布置

物探试验设计在北采区672 m标高平台布置8条探测线，点距为10 m。主要目的是探测测区地面标高以下50 m深度内存在的采空区规模和位置。音频电磁测深总工作量见表1。

表1 音频电磁测深工程量

物探试验在所有音频测深点布置了地面五极纵轴激电测深。但地面五极纵轴激电测深探测深度有限，加上地面五极纵轴激电测深野外工作装置较复杂，须在3个方向布极或测量，探测工作困难。该矿为露采，工作场所复杂，无法按规范准确布极和测量。地面五极纵轴激电测深总工作量见表2。

表2 地面五极纵轴激电测深工作量

3 物探试验推断与解释

由于测线较多，这里只做位于1X(1线)的音频电磁测深断面推断解译和地面五极纵轴激电测深断面综合推断解释。

3.1 1X(1线)音频电磁测深断面推断解译

1X线布置在指定试验区的西北面的最外侧，长100 m,11个测点，测线沿北东向布置。音频电磁探测图见图1的左图，从1X线的视电阻率异常及推断解释看出，整体来说，地表附近的电阻率曲线变化平缓，中、深部变化过渡较剧烈，地表附近可能因连续降雨或黄铁矿化或含矿丰富，表现为电阻率很低，浅部低阻出现在+665 m标高上下，岩层受大气降水或矿化的影响，含水性较好，表现出电阻率低的特性。局部相对高阻为空区、巷道的反映。

图1 1X(1线)音频电磁测深及五极纵轴激电测深断面的解释图

1X线上的0.5～3号点、4～5.5号点、0～5号点、4～8号点、3～6号点等区段存在5个相对高阻主异常，其推断解释见表3。

另外，还存在一些小异常，如3～4号点的650～655 m标高、8～9号点的655～660 m标高可能存在巷道或小空区。

表3 1X线主要异常解释结果

3.2 1X(1线)地面五极纵轴激电测深断面综合推断解释

1线全线做了地面五极纵轴激电测深，图1的右上图是1线五极纵轴激电测深视电阻率等值线断面，右下图为极化率等值线断面，从视电阻率等值线断面可以看出，埋深50 m范围内，在1.5～2.5号点的645～650 m标高存在相对高阻异常，这与音频测深断面结果基本一致，但对应高阻异常区的极化率较高，推测可能空区太小，周围围岩极化率普遍较高，而反映不明显。对比地面五极纵轴激电测深图和音频电磁测深图，埋深50 m范围内2种方法探测的视电阻率等值线形态基本一致，异常位置和形态有点偏差。造成偏差的原因可能是地面五极纵轴激电测深时因台阶边坡的存在，影响实际探测极距MN的大小。

从图1右上图可以看出，断面存在一个高阻异常E1/1X。推测为巷道或采空区。

4 综合分析解释

从现场探测采集图来看，音频电磁测深大部分点探测顺利，数据采集速度较快，干扰因素少，探测数据真实可靠。但由于本矿是露天开采，陡坎边坡密集，地面五极纵轴激电测深方法无法按规范要求实施[7]。

4.1 试验区异常综合分析解释

由于探测试验区不大，为获得最佳物探效果，根据试验区形状特点设计探测线方向为北东向，达到各探测线的测点相对其他方向测点最多，物探数据相对更可靠。

本次是在同一试验区采用音频电磁测深和五极纵轴激电测深两种方法探测，根据两种方法探测断面的成果推断采空区位置，再比较与实际采空区位置的接近程度来判断探测方法的有效性以及哪种方法的准确率更高。推断解释完全是根据实际探测断面成果图并结合地层及经验，因此，推测的采空区大小和位置与实际采空区大小存在一定误差，综合分析可以得出以下几点。

(1) 从各条音频电磁测深反演后的断面视电阻率等值线来看，试验区分布较多采空区和巷道。主要分布在试验区测线的中部、6～8号测线的大号点以及1～5号测线的0～4号点。

(2) 由于探测断面图是根据物探仪器采集曲线或数据，采用物探软件自动生成的连续等值线图，而物探异常是相对值，是物探处理人员根据物探软件生成的连续等值线断面图结合个人经验和试验区地质资料人为圈定的，圈出的异常大小往往受人为经验和对矿区各种资料了解程度的影响。因此，圈出的异常大小和位置与实际采空区或巷道的大小和位置存在一定误差，估计本次误差在10 m左右。

(3) 从音频电磁测深探测成果图分析，试验区主要存在5个高程段的高阻异常，推测为采空区或巷道，分别为：

第一高程段，位于浅部的640～660 m标高，埋深12～35 m左右，推测以采空区为主，但不同高程存在巷道；

第二高程段,位于中、浅部的620～640 m标高，埋深30～52 m左右， 1～8线不同部位都有存在，有两个比较明显的区域，一是1线的0～4号测点封闭区域，二是 2～5线的5～8号测点以及6号测线的4～6号测点，投影推断以采空区为主；

第三高程段, 585～640 m标高，埋深30～35 m, 位于6～8线的大号点端部，分别是6线的3.5～7.5号点，7线的3.5号点以北和8线的4号点以北，从6～8线大号点的异常形态看，异常未封闭，推测该异常为采空区的反映，该采空区规模较大，异常区仅为采空区的一部分，测线未到采空区边界，采空区往东南及东方向延伸，推测该区为一个未到边界的大型采空区；

第四高程段,570～600 m标高，位于2～5号线的6～9号点和6～8号线的3.5号线以北，推测该区以巷道为主，有采空区存在，推测6～8号线的3.5号线以北主要为采空区；

第五高程段,490～540 m标高，位于1线的0～4号点以及2～5号测线的6～10号之间,推测以巷道为主，但有采空区存在。

(4) 对比各探测线的音频电磁测深和地面五极纵轴激电测深断面图，发现2种方法的异常位置不完全吻合。造成这种结果的原因是受露天边坡的影响，地面五极纵轴激电测深无法按规范准确布极，导致测量电极距误差，部分测线探测深度也未达到50 m埋深。

(5) 由于物探存在边界效应，边界异常往往可靠性大大降低，要达到比较理想的效果，其测线长度与探测深度必须达到一个合理的比例，一般要求测线长度是探测深度的2倍，由于现场条件限制，难以实现。从而导致测线两端的异常分析存在误差。

(6) 从各条音频电磁测深断面图可以看出，浅部高阻异常不多，分析有两种可能：一是该区浅部实际采空区不多，二是本次音频电磁测深未采用人工发射源，因部分频段缺失，导致部分浅部采空区未被测到。

(7) 由于采空区大小相对矿层或矿化岩体，规模较小，测区岩体或矿层普遍高极化，五极测深的不连续数据采集使细小采空区和巷道的低极化反应不明显，所以，无法从地面五极纵轴激电测深的极化率参数判断采空区和巷道的存在。

(8) 从各探测线视电阻率等值线断面图看，各测线中部不同程度的出现近似垂直的条带状相对高阻，分析可能是平面位置大致相同，不同高程都存在巷道；或者存在上下连通的采空区、斜井、竖井、采矿溜槽等无水空间；或者上下空区之间岩体相对较松动。

4.2 探测成果与实际空区(巷道)大小误差分析

探测结果有以下规律：

(1) 圈出的异常范围和大小与实际采空区和巷道位置基本吻合，圈出的异常范围和大小比实际采空区略小；

(2) 浅部密集的小型空区或巷道在探测断面图上反映为连续的异常区，推测可能是因为点距和线距(10 m)太大造成；

(3) 圈出的中部异常范围和大小与中部实际采空区位置和大小吻合良好;

(4) 综合分析估计误差在10 m左右。

5 结 论

(1) 本次探测成果仅限于试验区探测范围内(1X-8X)672 m标高以下的区域。

(2) 从音频测深的断面成果图可以看出，高阻异常明显，认为音频电磁测深法在大宝山矿区探测采空区有效，可为本矿的采空区治理提供较可靠的依据。建议应用时增加人工发射源，弥补天然电磁场缺失的部分高频段，以便更详细的查明浅部采空区分布情况。

(3) 由于地形、地层及地面五极纵轴激电测深工作原理限制，高密度的边坡陡坎无法准确的布置测量电极。从地面五极纵轴激电测深的视极化率和视电阻率等值线断面图可以看出，出现相对高电阻率的对应区域并未出现低极化，因此，本矿露采区不宜采用地面五极纵轴激电测深。

(4) 根据各条测线的音频电测测深断面成果，试验区存在较多采空区和巷道，主要分布在5个标高段。

[1]李金铭.地电场与电法勘探[M].北京:地质出版社,2005：87￣89.

[2]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探[M].北京:地质出版社,1998：7￣9.

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[4]刘敦文,徐国元,黄仁东.金属矿空区探测新技术[J].中国矿业,2000(04):34￣37.

[5]王国焘，罗周全，刘晓明.等.金属矿采空区三维探测及可视化建模与应用[J].中国地质灾害与防治学报,2010(1).

[6]闫长斌,徐国元,中国生.复杂地下空区综合探测技术研究及其应用[J].辽宁工程技术大学学报,2005(04):481￣483.

[7]汤井田,任政勇,化希瑞.地球物理学中的电磁场正演与反演[J].地球物理学进展,2007(04):1181￣1194.

2014￣09￣29)

陈学军(1978-)，男，宁夏人，采矿工程师，主要从事矿山安全管理工作，Email: 55661339@qq.com。