地面电法勘探在矿山采空区探测中的应用研究

李 婷

（江西省地质局普查综合大队，江西 南昌 330001）

矿产资源作为重要的工业原料，对其进行开采和利用是关系到国家经济发展的重要因素[1]。中国作为世界上最大的矿产资源生产国和消费国之一，对矿产资源具有较高的依赖性，在长期的开采过程中，逐渐形成了分布范围广泛，存在位置多样，存在形式复杂的地下采空区。不仅对矿山施工带来了极大的安全威胁，对生态环境也造成了极其恶劣的影响[2]。由于大多数矿产资源都属于不可再生资源，面对着越来越高的使用需求以及逐渐紧缺的资源存储量，国家加强了对资源开采控制的力度，在此政策下，许多不符合开采要求的矿山都处于闭坑停产状态[3]。在缺少维护的环境下，经过长年累月的雨水浸透冲刷以及地表风蚀作用，原本开采施工造成的采空区极易出现沉陷、塌陷的情况，这就在一定程度上加大了出现地质灾害的可能性，是对人民的生命财产安全的潜在威胁[4]。除此之外，部分不法分子在利益的驱使下对资源进行非法开采，在不规范的生产操作下，造成的安全隐患更加不容忽视。由此可以看出，对采空区进行有效探测是十分必要的，其不仅对于后期的采空区治理工作具有重要的指导意义，也是切实关系到环境长期发展的重要举措。

为此，本文进行了地面电法勘探在矿山采空区探测中的应用研究，分析了采空区的地理特征，并根据不同类型采空区的特征，采用综合的电法勘探方法，实现对采空区的有效识别，并通过试验验证了所提方法的有效性。通过本文的研究，以期为降低采空区的安全威胁提供有价值的参考。

1 采空区地球物理特征分析

要通过地面电法勘探的方式实现对矿山采空区的有效探测，首先要明确采空区的地球物理特性，为此，本文就此展开了详细的研究。

首先，采空区是指地层中的矿产资源被开采后在岩层间形成的中空区域。由于岩层的重力垂直作用于采空区上方的岩壁上，而中空位置无法实现对力的有效分担，长此以往，就极易出现发生塌陷，造成采空区上层的覆岩出现平衡失衡的问题，水平方向上，也有发生岩移的可能性，导致岩石的完整性和连续性被破坏。同时，在外力的作用下，岩层出现裂隙的可能性也随之增大，伴随着破碎的发生，采空区上方的稳定性会大大降低。如果采空区对应的地下环境没有水文资源，泥质物无法实现对其的自我填充，则该处对在电阻率上表现出明显变化，与完整岩石的电阻率相比偏高，当电阻率值的差异不明显时，会在岩层的整体属性上出现变化，表现为电阻率等值线在一定范围内不规则波动，当电阻率差异明显时，会有明显的高阻特性；如果采空区通过人工的方式使用水、泥、土质充填，则在电阻率上的表现为低于周围完整围岩，对应的显现出低阻特征。以此为基础，以岩性的电阻率为基准，可以将矿山划分为三类，分别是电阻率较高的采空区，电阻率处于中间阶段的矿层区以及电阻率较低的填充采空区。

本文重点研究采空区的探测，因此按照电阻率异常的电性特征，采空区又可分为三个主要的类型，分别是空洞型采空区，也就是开采后未经处理，初始状态的采空区，对应的电性特征为高阻特性；第二类就是充填型采空区，主要是指实施大面积采掘完之后，形成的地下空洞在地下水的回灌作用下被充填的采空区，对应的电性特征为低阻特性；最后一类为塌陷型采空区，主要是指在重力垂直作用及上覆岩层水平作用下，顶板出现变形、破碎及坍塌的采空区。在电性特征上，按照坍塌的程度分为两种，当空隙未被完全填充时，表现为高阻特性；当空隙被完全填充时，表现为低阻特性。

2 矿山采空区探测

针对上述对采空区特征的分析结果，本文结合不同矿山的实际情况，进行了矿山采空区探测方法的研究，根据电法勘探方法不同的优势，实施个性化探测。

2.1 巷道式开采区域的探测

巷道式开采的特征决定了其产生的采空区是连续范围较长的形式存在的，为此，可以使用激电剖面法对采空区进行测量。作为一种激发极化法，激电剖面探测法是以地壳中不同岩、矿石在激电效应中展现出的差异为基础实现测量的。在探测之前，首先通过人工的方式建立时间域或频率域，使激电装置产生的激电场在地质结构中实现全面分布，再结合其分布的规律分析采空区的位置。在激电剖面测量结果中，当出现异常主体时，对应深度的受供电电极会反馈到激电装置的接收端，深度距离越大，则接收到反馈的时间越长，通过这样的方式即可实现对采空区所在位置的判断。需要注意的是，在使用激发极化法探测采空区时，需要对矿山资源属性进行初步判断，受激电信号的影响，在含硫矿物中反应特别明显，探测结果更加准确。而在石英脉型金矿中则会受到明显的干扰作用，反馈的信号在衰减作用下对降低极化效应程度，导致探测结果出现偏差。

2.2 大面积平坦区域的探测

在面积较大，地势相对平缓的区域内，采空区的分布位置难以得到有效判断，此时需要更加高效的探测方法，高频大地电磁法就是一种良好的选择。其只要是利用太阳、风、雷电等发射到地表的天然电磁场信号，经该类信号作为探测的激发场源，当矿山地表介质接收到该信号后，会产生相应的感应电磁场。此时，需要引入波阻抗，为了避免大地和水平层对测试结果的干扰，波阻抗大小以电场和磁场在水平方向上分量的比值为准。激发场源和矿山的感应场经过空间张量叠加后，会在电磁场环境中实现高速传播，振幅在此过程中逐渐衰减，此时其在地下的趋肤深度会伴随地层电阻率的变化而出现明显波动，得到的频率值即可以作为采空区位置判断的依据。当频率较高时，地层电性特征对应偏高，也就是采空区；当频率较低时，地层电性特征对应偏低，即为填充采空区。在具体的实施过程中，可以通过StrataGem电磁系统，运用单点探测的方式先确定采空区的大致范围，再结合连续剖面探测的方式确定采空区的具体位置，频带设置以4个频组为宜：分别对应0.1Hz-1kHz、10Hz-1kHz、300Hz-3kHz、1.5kHz -99kHz，以此最大限度降低干扰影响。

3 应用测试

为考察本文提出的地面电法勘探的勘探方法的应用效果，本文在某已知矿山采空区域进行了勘探试验。

3.1 环境分析

实验矿山具有剥蚀、溶蚀的低山地貌特征，区域总长度为580m，现已施工的最大开采深度为39.2m。矿山表面有自然斜坡，坡度在15°～30°之间，局部有陡壁出现，但面积相对较小，在50m2～60m2之间。区域整体地形有明显的起伏变化，地表被覆茂密的植被且工区上第四系坡残积粉质黏土特征明显，浅层下伏基岩为二叠系中统吴家坪组灰岩，中深层岩体主要为页岩夹泥质粉砂岩硅质岩夹页岩。在软硬程度上，不同区域岩体差异较大，地表出现的风化差异较大。

本次试验按区域地势特征分为了两个探测区，根据已知钻孔资料，其中1号探测区域的目标探测深度为39.1m，范围内有明显的断裂构造发育，地下0m～0.6m地层，主要的土壤构成为耕植土，地下0.6m～7.6m阶段，以红粘土和黄黏土为主，地下7.6m～13.8m的岩体类型开成呈现出明显的白云岩，特征，到地下13.8m～19.5m处，开始有空溶洞出现，并伴随有水文特征，地下19.5m～20.8m处，由于断裂构造的影响，岩体类型再次转为白云岩，在地下20.8m～26m处，有明显的充填溶洞出现，而地下26m～30.7m范围内，白云岩特征再次出现，并伴随有少量破碎岩体，在地下30.7m～39.2m范围内，溶蚀破碎成为主要构成，裂隙在该地城发育明显，并呈带状分布。在2号探测区，目标探测深度为36.2m，范围内地表表征相对平坦，未见明显地势构造特征。在地下0m～0.4m阶段，主要以耕植土为主，相对于1号探测去有0.2m差异，在地下0.4m～11.7m范围内，红粘土为主要地质构成，伴随有少量黄黏土，在地下11.7m～14.3m阶段，有明显的白云岩特征出现，到达地下14.3m～18.3m，是空溶洞的主要存在范围，18.3～18.5处可以观察到明显的白云岩特征，蔓延至地下18.5m～22.9m，开支逐渐显现出充填溶洞属性，而到达22.9m～27.2m深度后，在此出现白云岩特征，地下27.2m～34m再次有明显的空溶洞特征，直至34m～36.2m，白云岩特征出现。

根据上述已知资料分析，1号探测区有1个直径6.1m的空溶洞和1个直径为5.2m充填型溶洞；2号探测去有2个直径分别为4m和6.8m的空溶洞和1个直径为4.4m的充填型溶洞。

3.2 测试结果

以此为基础，采用本文提出的方法对该矿山的采空区进行探测，其结果如图1所示。

图1 探测结果

从图1中可以看出，本文的探测结果中，在1号探测区和2号探测区发现了明显的空溶洞和填充型空洞特征，并且探测出的位置深度与已知结果一致，表明本文提出的探测方法可以实现对采空区的有效探测。

4 结语

矿山采空区的资源含量探测不仅关系到现有开采施工的推进方向，也决定着施工的安全性。如何准确判断采空区的范围、面积以及空间大小正逐渐受到越来越多的关注。本文提出地面电法勘探方法在矿山采空区探测中的应用研究，实现了对采空区信息的准确采集，为矿山开采施工的安全性提供了可靠保障。