高密度电法在石膏矿采空区勘察中的应用研究

黄建权，李明陆，粟超良，李坤鹏

(湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南 长沙 410116)

1 引 言

石膏矿采空区是指石膏矿被采出后遗留下的空洞。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成“三带”[1]：垮落带、导水裂隙带及弯曲带。采空区给周边人民生产生活造成重大的影响，如何有效探测采空区范围以及埋深，显得尤为重要，众多学者对采空区进行研究。童力元等[2]对采空区探测方法、稳定性评价、治理及质量监控等技术的国内外研究进展做了详细调研，并提出了进一步的研究方向；吴成平等[3]对采空区探测的地球物理方法进行了分类和介绍；王超凡等[4]地震CT引入对某金属隐伏采空区进行探测，探测结果揭示了采空区和破碎带，并被后期证实准确；王俊茹等[5]介绍了应用浅层地震方法探测采空区的野外工作、资料处理、解释方法技术；张开元等[6]采用瞬变电磁法探测煤矿采空区：该方法分辨率高，能快速获得中、深部地层的电性结果；程久龙等[7]总结了在地表浅部查找不良地质体的方法：地质雷达具有探测精度高及分辨率高的优势；高密度电法在采空区探测中发挥着重要的作用[8-10]，有效探测深度0～100 m，常用的对称四级装置测量需要在探测范围两侧有一定延伸空间；综合物探[11-15]在采空区探测中越来越受到重视，采用多参数综合研究采空区空间展布，能够取得较好的成果。

物探方法的选择需要考虑地质条件、背景噪音干扰、场地条件等因素。场地位于县城周边，人文噪声干扰较严重，勘察区的西北侧为邵东县城居民密集区，东南侧有邵水河阻隔，场地空间展布受限。地震CT具有高分辨率的优点，但场地采空范围较大，成本高；地震反射波法具有高分辨率的优点，但场地位于县城边，炸药的批复难度大，震动干扰较强，且局部采空埋深较浅，风险较大，场地也受限，综合成本较高；县城边电磁干扰较严重，瞬变电磁的纯二次场被干扰，探测目标30～70 m，瞬变电磁对浅层有一定的屏蔽作用，不利于分辨浅部采空区；地质雷达易受电磁干扰，同时探测深度有限；高密度电法对称四级装置在西北侧居民密集区以及东南侧邵水河测线无法展布。综上所述，常用的方法均受到一定条件的限制。

石膏矿采空区勘察首先要明确石膏矿层的空间展布情况，根据勘察区场地两侧空间展布受限的条件，本文采用高密度电法的单边三级测深装置。该装置能有效获取勘察区地下的地质信息，有效深度为0～100 m，且具有探测精度高，效率较高，深部分辨率高等优点，能够有效探测石膏矿采空区分布范围和埋藏深度。

目前，高密度电法的单边三级测深装置应用较少，采空区的调查研究主要集中在煤矿采空，石膏矿采空区调查研究还比较少。因此，采用高密度电法的单边三级测深装置在石膏矿采空区的调查研究具有重要的意义。

2 地质概况

场地地势较平坦，地貌以构造剥蚀岗地为主，根据现场调查和前人地质资料，由新至老地层有第四系全新统、下第三系地层，地层岩性由上至下分述如下：

2.1 第四系全新统(Qh)

1)素填土：杂色松散，主要成分是灰岩碎石块及黏性土，层厚0.8～4.8 m。

2)粉细砂：杂色，主要成分为石英粉细砂，局部夹少量黏性土及圆砾，冲积成因。

2.2 下第三系(E)

由钙泥质粉砂岩、石膏、泥岩等组成，为内陆湖相沉积。

1)强风化钙泥质粉砂岩：棕褐色、灰绿色，泥质、粉砂结构、薄层～中厚层构造，微波状水平层理发育，偶见斜波状层理。夹浅灰色钙质粉砂岩及灰绿色钙质黏土岩。含粒状、斑点状及纤维细脉状石膏。厚10.50 m。

2)中风化钙泥质粉砂岩：灰绿、棕褐色、泥质、粉砂质结构、薄～中层状构造，水平层理及微波状水平层理发育，偶见斜波状层理。间夹深灰色薄层泥灰岩及灰黑色黏土岩。含砾状、花斑状、细脉状石膏。厚41.92 m。

3)Ⅱ1膏层：为膏质泥岩、泥质石膏岩，局部夹石膏。品位41.50 %～68.86 %，平均51.80 %，一般50 %左右。厚0.39～30.58 m，平均21.21 m。

4)Ⅱ2膏层：是矿段主采膏层，灰绿色硬石膏，局部常水化成石膏。品位61.46 %～75.29 %，平均68.33 %。厚2.57～19.93 m，平均厚15.02 m。

5)Ⅱ3膏层：为棕褐色硬石膏，局部水化为石膏。品位61.80 %～69.10 %，平均64.82 %。厚1.11～17.38 m。

6)Ⅱ4膏层：主要为泥质石膏～硬石膏岩，夹泥质硬石膏～石膏岩、泥质石膏岩、膏质泥岩，局部偶夹石膏。品位46.12 %～59.34 %，平均53.92 %。厚2.11～17.84 m，平均8.28 m。

7)中风化钙泥质粉砂岩：棕褐色，钙泥质粉砂结构，薄～中层状构造，微波状水平层理发育，含砾状、斑点状、细脉状石膏，岩石遇水易软化，干后易开裂。

2.3 石膏矿产状

石膏矿倾向南东115°～140°，倾角5°～15°。

3 岩石的电性特征

据实测资料、钻孔验证资料及以往工作物性资料，探测范围内的矿井、巷道及采空区均已充水，综合得到各类岩土介质的电性特征，详见表1。

表1 岩土介质的电性特征

岩土介质的电性特征分析如下：石膏矿层与其围岩在视电阻率上存在1.5～3.0倍的差异：石膏矿层为相对高阻层；其他地层为相对低阻层；采空区(充水)也为相对低阻层。采用高密度电法利用视电阻率差异探测石膏矿层中的采空区(充水)具备了良好的地球物理前提条件。因此，本次研究的重点是石膏矿层内高电阻率中的低阻畸变。

4 工作方法及测线布置

4.1 工作方法

高密度电阻率法是以岩、土导电性的差异为基础，研究在人工施加稳定电流场作用下，地中传导电流分布规律的一种物探方法。

图1 单边三级测深装置示意Fig.1 Diagram of single-side three-stage sounding device

采用重庆地质仪器厂DUK-2B型多功能电法仪，采用单边三极连续滚动式测深装置进行测量。该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，供电电极B置于无穷远处，参与测线上电极转换的是N，M，A。测量时，N、M不动，A逐点向右移动，得到一系列由浅至深的测点；接着N、M、A同时向右移动一个电极，M、N不动，A逐点向右移动，得到另一系列由浅至深测点；这样不断滚动测量下去，得到矩形断面，其电极排列如图1所示。

采用单边三极排列剖面观测系统，正反向剖面观测，测点距离8 m，观测20层数据，无穷远极垂直测线走向，距离大于2 000 m。供电电流大于800 mA，供电电压360 V，测量的最小电压大于100 mV。

4.2 测线布置

测线布置遵循已知到未知的原则，走向南东，基本垂直石膏矿采空区的走向，且均通过已知采空区，从已知采空区地段提取异常特征，作为推断解译依据。场地空间展布受限，西北侧靠近县城房屋密集区，物探剖面无法穿越地段，东南侧为邵水河。共布置了4条测线，线距50～100 m，点距8 m。

5 综合地质解释

5.1 综合地质推断分析

根据场地的岩土介质的电性特征和已知采空区对应相对低视电阻率剖面异常特征，对4条测线分析如下：

5线：已知采空区范围位于16～30、46～51号电极，顶底埋深25～70 m对应有4处“V”字型或“U”字型的低阻异常。在已知采空范围之外发现3处低阻异常：3～8号电极，顶底埋深15～28 m发现一处“U”字型低阻异常，推断为粉细砂；12～18号电极，顶底埋深20～35 m发现一处宽缓“V”字型低阻异常，推断为采空区；33～40号电极，顶底埋深50～60 m发现一处“V”字型低阻异常，推断为采空区。详见图2。

6线：已知采空区范围17～51号电极，顶底埋深20～65 m对应有7处“V”字型或“U”字型的低阻异常。在已知采空范围之外发现2处低阻异常:4～11号电极，顶底埋深18～32 m低阻异常，推断为粉细砂；54～57号电极，顶底埋深65～75 m发现一处“V”字型低阻异常，推断为采空区。详见图3。

7线：已知采空区范围30～53号电极，顶底埋深35～70 m对应有3处“V”字型或“U”字型的低阻异常。在已知采空范围之外发现2处低阻异常：5～14号电极，顶底埋深20～30 m发现一处宽缓“U”字型低阻异常，推断为粉细砂；20～27号电极，顶底埋深22～37 m发现一处“V”字型低阻异常，推断为采空区。详见图4。

9线：已知采空区范围29～50号电极，顶底埋深35～70 m对应有3处“V”字型或“U”字型的低阻异常。在已知采空范围之外发现3处低阻异常:1～12号电极，顶底埋深15～25 m发现条带状低阻异常，推断为粉细砂；16～21号电极，顶底埋深22～35 m发现一处“V”字型低阻异常，推断为采空区；24～28号电极，顶底埋深29～45 m发现一处“V”字型低阻异常，推断为采空区。详见图5。

图2 5线综合地质剖面推断Fig.2 Comprehensive geological section of line5

图3 6线综合地质剖面推断Fig.3 Comprehensive geological section of line6

图4 7线综合地质剖面推断Fig.4 Comprehensive geological section of line7

图5 9线综合地质剖面推断Fig.5 Comprehensive geological section of line9

5.2 钻孔验证

钻孔ZK4验证5线3～8号电极的“U”字型低阻异常，布设在5线7～8号电极中间。钻孔揭示0～2 m素填土，2～17.2 m粉细砂，17.2～23.8 m棕褐色硬石膏，23.8～85.6 m中风化钙泥质粉砂岩。稳定地下水位深2.3 m。

钻孔ZK8验证12～18号电极的低阻异常，钻孔布设在5线15～16号电极中间。钻孔揭示0～2.5 m素填土，2.5～9.5 m粉细砂，9.5～23.3灰绿色硬石膏，23.3～31.8采空区，31.8～48.6 m棕褐色硬石膏，48.6～64 m中风化钙泥质粉砂岩。稳定地下水位深2.7 m。

图6 石膏矿采空区范围综合平面推断Fig.6 Comprehensive plane inference map of gypsum mine goaf

综上所述,从钻孔揭示和已知采空范围对应的物探异常来看，采空区的异常为石膏矿层内高电阻率中的低电阻率畸变，剖面上呈“V”字型或“U”字型的低阻异常。各测线起始位置的低阻异常由地层岩性引起，在采空区调查的实际工作中，首先要查明矿体空间展布，对于矿体之外的相似异常，注意判别异常的地质可能。

5.3 综合平面分析

根据4条剖面异常统计分析，得出新推断采空区的范围在原采空范围的基础上向两侧延伸：5线采空区向西北方向延伸约32 m，南东方向延伸约16 m，同时向西南方向延伸，范围未知；6线采空区北西方向几乎不变，南东方向延伸约56 m；其中7线采空区西北方向延伸约81 m，南东方向延伸约16 m；9线采空区向西北方向侧延伸112 m，南东方向几乎不变。详见图6。

6 结 论

基于本次研究工作获得以下认识：

1)当调查区有一定空间展布时，遇调查区两侧空间展布受限制的情况，采用高密度电法的单边三级测深装置，仍能有效获取调查区的地质信息，有效深度达0～100 m不等，且具有探测精度高，深部分辨率高等优点。

2)探测结果与已知石膏矿采空区分布范围和埋藏深度吻合，已知采空区之外得到钻孔验证，表明高密度电法的单边三级测深装置有效性，且探测分辨率较高。

3)新推断采空区的范围在原采空区范围的基础上向四周延伸，其中北西方向和南东方向延伸范围可定量，北西方向靠近县城，上覆地层较薄，应优先治理。

4)从钻孔揭示和已知采空范围对应的物探异常来看，采空区的异常为石膏矿层内高电阻率中的低电阻率畸变，剖面上呈“V”字型或“U”字型的低阻异常。