基于高密度电法及瞬变电磁法的矿区采空区探测技术

李路明，赵淑红，郭 恒，刘欢欢

(1.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021； 2.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710064；3.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

福山铜矿王家庄矿区位于福山区高疃镇北部，区内铜矿开采历史悠久。铜矿开发始于1970年，至1983年3月底停止生产，期间为国民经济做出了较大贡献，但是也相应产生了一系列地质环境问题，主要有：地下采空区、民采形成的不稳定边坡、废石堆及尾矿库松散堆积体等易引发地面塌陷、地裂缝、崩塌、泥(渣)石流等地质灾害，对区内的人民生命财产和生产活动安全构成了极大威胁[1-2]；另外，采空塌陷、民采堆积废石及尾矿占用和破坏了大量的土地资源，加剧了水土流失，严重影响了当地的地质地貌景观。

1 地质及地球物理特征

1.1 地层

治理区内除分布少量第四系外，出露的地层为古元古界粉子山群变质岩系中的巨屯组和岗嵛组。

由上而下为：①岗嵛组第二段(PtfG2)。主要为各种云母片岩，岩性单一，铜在该岩层中的平均丰度高于治理区外同段地层，矿化微弱。②岗嵛组第一段(PtfG1)。主要为二云片岩夹透闪大理岩、透闪片岩或大理岩。透闪大理岩往往呈较大的透镜体，沿走向、倾向皆有相变为大理岩或透闪片岩的现象。③巨屯组第二段(PtfJ2)。以石墨大理岩为主，夹云母片岩、变粒岩，是治理区主要赋存矿体的层位。④巨屯组第一段(PtfJ1)。为黑云母片岩、变粒岩夹石墨大理岩、石墨透闪大理岩。

1.2 岩浆岩

治理区内岩浆岩主要有闪长岩、石英闪长玢岩及少量的伟晶岩和石英等脉岩。①闪长岩(δ)：多充填于北西40°的扭裂中，呈脉状，较规则，倾向北东，倾角较陡，一般在70°左右。主要分布于治理区中部勘探网基线附近，在治理区北部吴阳泉断裂带中也有少量分布，并具有不同程度的蚀变。②石英闪长玢岩(δομ)：主要呈脉状充填于丁家夼断裂、营咀西断裂、吴阳泉断裂带中，其次呈岩床状在上述断裂的两侧顺层或近顺层侵入。与围岩接触无明显的蚀变现象，但其本身具有轻微的蚀变。③伟晶岩脉(ρ)、石英脉(q)：治理区内这两类岩脉较常见，从产状、矿化度等情况看，年代久的受到较强的钠长石化，长石变为绢—白云母，呈白—灰白色。较新者为暗灰色，多含电气石，以脉状产出为主。

1.3 构造

治理区位于吴阳泉断裂上盘(南盘)、车家向斜南翼，其地质构造特征与区域地质构造特征基本相同。

(1)褶皱构造。治理区内主要有车家向斜，轴向近东西，轴部位于车家村附近，产状平缓，车家向斜北翼被吴阳泉断裂切割破坏而不完整。南翼由于受北东向断裂和次级褶皱的影响，地层走向自西向东由北西渐变为近东西。

(2)断裂构造。①近东西向断裂。吴阳泉断裂位于治理区东北角，由两个近乎平行的主断面组成。断裂面倾向南，倾角约70°，断裂带宽50～200 m，挤压强烈，挤压带中扁豆体、叶理化、隐晶质石墨带极为发育。平行吴阳泉断裂的次一级断裂长200～300 m，倾向南或北皆有，挤压特征明显。②北西向断裂。与北东向压扭性断裂近直交的北西40°～50°张扭性断裂，在治理区内发育，呈束状出现，是与北东向构造伴生的断裂，多被闪长岩充填。次组断裂构造较平直，倾角50°～70°，以倾向北东者为主。断裂贯穿治理区中部。③北东向压扭性断裂。在治理区内主要有4条，由西向东为：营咀西断裂、丁家夼断裂、玉石山断裂和东厅断裂。丁家夼断裂最大，走向北东30°～40°，倾向南东，倾角35°～70°。营咀西断裂和东厅断裂分别在治理区的西部和东部，对矿床影响较小。而丁家夼断裂和玉石山断裂横贯治理区中部，对矿床破坏较大，特别是丁家夼断裂，使上盘附近百余米巨屯组主要含矿带缺失。

1.4 区域地球物理特征分析

工区属位于吴阳泉断裂上盘(南盘)，车家向斜南翼，多为古元古界粉子山群变质岩，因不同岩性其电性特征均有一定差异，同种岩石因风化破碎，其电性特征亦发生变化。岩石完整区域的电阻率值较高。各巷道若被地下水填充，岩石破碎区域，地下水沿断裂破碎带运移，导致岩石的电阻率降低。因此该区采用高密度电法勘查寻找岩石构造破碎带、不同电性岩石接触界线，划定地层不稳定区域是可行的。

2 技术方法

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的新型物探方法，以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律以解决地下地质问题[3-4]。其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，工作装置组合实现了密点距陈列布设电极，是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪，便可实现数据的快速和自动采集，增加了空间供电和采样的密度，提高了纵横向分辨能力和工作效率。该法集合了多种常规直流电法的跑极方式，工作中可以根据情况选择合适的装置，常用的是温纳和温施装置。

温纳装置方式又称为对称四极装置方式(图1)。A、M、N、B等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是测量电极，AM=MN=NB为一个电极距，电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，4个电极之间的间距也均匀拉开。该测量方式为剖面测量方式，所得断面为倒梯形。

图1 温纳观测装置跑极示意Fig.1 Pole running mode of Wenner observation device

温施装置方式(WS)是测深测量，它是温纳和施伦贝尔的结合，在整条剖面测量中MN要由小到大变化几次，但在MN为某一固定值时，A、B按施伦贝尔1 的方式移动，所得断面为矩形或者倒梯形。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods，TEM)，瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流(图2)，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向2个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，通过采集二次电位达到勘查的目的。

图2 瞬变电磁工作原理示意Fig.2 Working principle of transient electromagnetic

当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场产生的磁场可等效为一个水平环状的线电流产生的磁场。地下涡电流向下、向外扩散的现象——“烟圈效应”(图3)。当外加的瞬变磁场撤销后，利用这些涡流场所产生的二次电场的时间和空间的分布规律，利用接收线圈测量可得到感应电动势。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段(一维反演、视电阻率等)得出地下岩层结构。

图3 半空间涡电流“烟圈效应”示意Fig.3 Schematic diagram of half-space eddy current "smoke ring effect"

2.3 数据处理方法及成图

高密度电法数据处理分为预处理和反演处理两部分。数据预处理包括去噪、剔除异常点等，为反演处理提供稳定数据体。反演处理主要采用瑞典RES2INV电法反演软件进行，网格采用“有限元”方法，最优化阻尼系数，利用线性搜索的最小二乘反演方法，以保证反演结果的稳定性。迭代次数为2～5次，设置均方根误差门限值为2.5%。瞬变电磁数据采用IX1d一维反演软件进行处理，反演采用为Occam方式，初始模型设置为10层，每层10 m，初始电阻率为100 Ω·m。利用多次迭代法，迭代次数少于10次，选择模型均方误差最小的模型作为最终结果。瞬变电磁数据处理如图4所示。

图4 瞬变电磁数据处理示意Fig.4 Schematic diagram of transient electromagnetic data processing

2.4 质量评述

2.4.1 质量控制措施

为保证野外数据采集精度，采取了多种措施提高采集质量：①每天工作前，对仪器、电瓶进行充分充电，电极、线路检查，以保证工作顺利进行；②适当增大供电电流强度，提高接收电位幅值，提高信噪比；③实时监测数据采集质量，如发现畸变点或者干扰较大的情况，及时安排重新采集；④探测前，认真进行试验工作，选取适当的仪器工作参数，发送电流、发送框边长及接收参数等；⑤野外施工中，纳米瞬变电磁接收线圈要求铺放水平，且尽量铺设于发射线圈正中间；⑥野外施工后，及时进行畸变点剔除及数据预处理工作。

2.4.2 野外数据质量评述

(1)高密度电阻率测深法野外检查复测点数占总工作量的比例为7.29%，满足要求。在全区检查观测的数据中剔除明显畸变点后，计算均方根相对误差M。计算公式为：

(1)

式中，ui为第i个供电极距上同组MN的ρai相对误差；n为参加统计的电极距数。

经过对重复观测检查数据的对比分析计算，野外数据总均方根相对误差为4.3%，满足《电阻率剖面法技术规程》(DZ/T 0073—2016)精度的要求。

(2)瞬变电磁法野外检查复测点数占总工作量的比例为14.29%，满足《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》(DZ/T 0187—2016)要求。绘制质量检查对比曲线和误差分布曲线，按以下公式计算误差：①某测点上各观测道总的平均均方根相对误差：

(2)

②全区各检查点总的平均均方根相对误差：

(3)

式中，m为检查点数。

因受野外地形及人文干扰因素影响，经过对重复观测检查数据的对比分析计算，野外数据总均方根相对误差为6.3%，基本满足规范精度的要求。

3 物探资料解释推断

高密度电法及瞬变电磁测量数据经过预处理和反演处理，形成视电阻率—深度断面图。根据视电阻率反演断面图及已知地质资料，针对7条具有代表性的剖面进行解译。该7条剖面基本覆盖整个工区，对于说明工区内巷道和采空区分布具有典型意义，可以用来对采空区及地质构造进行推断。现针对此7条剖面分别进行描述和解释。

3.1 典型地电异常剖面描述及推断

3.1.1 L1线剖面特征

位于王家村中偏西，穿村而过，由北向南沿村中土路布线，起点坐标(4 151 124，40 604 374)，方位169°。反演视电阻率断面如图5所示。

图5 L1线高密度视电阻率断面Fig.5 High density apparent resistivity section of L1 line

从图5可以看出，表层电阻率值较低，推测为风化层或者第四系覆盖层显示，深度≤20 m。深部电阻率逐渐增大且横向变化较大，呈高低阻相间特征，其中水平方向140～150 m段、深度110 m处有一较低阻显示，呈带状，推测为-110 m中段巷道反映，有充水现象；水平方向280～340 m段，存在一处明显低阻区域且延深较大，推测为-80 m中段巷道引起，可能充水；水平方向370～400 m段，埋深大于100m，存在较低阻异常区，异常等值线不完成，为-50 m中段巷道部位，推测存在塌陷及充水现象；480～520 m段，存在明显的低阻区，推测为-20 m中段巷道引起，根据电阻率值推断巷道充水。图中高阻区域推测为较完整的基岩。

与L1基本重合，在L1线38—57号点之间布设纳米瞬变电磁测量共11点，反演视电阻率断面如图6所示。从图6可以看出，浅部多为低阻特征，其中3号点和4号点之间存在一处较明显的低阻凹陷区，与高密度电性特征基本一致。断面其他部分呈现高阻特征，反映了基底岩石比较完整。总体上，TEM1瞬变电磁剖面与L1视电阻率断面图具有较好的一致性。

3.1.2 L2线剖面特征

L2线位于村中间，沿村中河流南岸布设，由北向南布线，起点坐标(4 151 139，40 604 509)，方位165°。L2线反演视电阻率断面如图7所示。

图6 TEM1反演视电阻率断面Fig.6 Apparent resistivity section of TEM1 inversion

图7 L2线视电阻率断面Fig.7 Apparent resistivity section of L2 line

由图7可知，该剖面电阻率曲线横向变化较大，呈高低阻相间特征，15—17号点之间存在一处较明显、近直立的低阻带，延深较大，推测为断裂破碎带；22—24号点，埋深约为100 m，有一低阻异常，等值线不闭合，应为-80 m中段巷道反映；32—34号点，有一较低阻带状区域，推测为-110 m巷道，伴充水现象；430～450 m段，存在一处低阻凹陷区，推测为-50 m中段巷道充水所致。

3.1.3 L3线剖面特征

L3线由北向南横穿村中，起点坐标(4 151 143，40 604 473)，方位171°。视电阻率断面如图8所示。

图8 L3线高密度视电阻率断面Fig.8 High density apparent resistivity section of L3 line

从图8可以看出，剖面整体上分为2部分。左侧呈电阻率由浅至深逐渐增大特征，且在150～180 m区段存在一处次高阻凹陷区，推测为-110 m中段巷道坍塌所致；右侧为杂乱区，电阻率横向变化较大，存在一处较明显的倾斜条带状低阻异常及数个等值线不闭合的低阻异常区，推测为巷道充水引起的阻特征。其中，350～450 m区段阻异常推测对应于-50 m中段巷道，具充水低阻特征；500～530 m区段埋深约为100 m位置低阻异常，推测对应于-20 m中段巷道。断面左右两侧夹近直立的低阻异常带，与两侧高阻特征形成对比，推测为断裂带充水所致。

3.1.4 L5线剖面异常特征

L5位于王家庄西南，起点坐标(4150461，40 604 500)，方位27°。视电阻率断面如图9所示。

图9 L5线高密度视电阻率断面Fig.9 High-density apparent resistivity section of L5 line

从图9可以看出，剖面主要呈低阻特征，由数个高阻异常区构成，其中水平方向180～200 m段，埋深大于100区段，有一较低阻区域，异常不闭合，推测为-20 m中段巷道引起；水平方向280～320 m，埋深约为100 m位置，存在中低阻区域，推测为-50 m中段巷道引起，具有充水现象；水平方向430～450 m段，埋深大于100 m，存在一处低阻异常区，异常不闭合，推测由-80 m中段巷道引起，其余高阻推测为完整基岩引起。

3.1.5 L8线电阻率特征分析

L8线位于王家庄铜矿区副井西北，起点坐标(4 150 903，40 603 924)，方位44°。反演视电阻率断面如图10所示。

图10 L8线高密度视电阻率断面Fig.10 High density apparent resistivity section of L8 line

从图10可知，L8线高密度视电阻率横向变化较大，测线起始端段30～50 m，浅部存在低阻异常区，规模较小，推测为+50 m中段巷道充水引起。100～150 m区段所显示的高阻异常，推测为致密基岩所致。测线17—21号点之间存在2个较明显的低阻异常区，推测为-50 m中段巷道充水引起。27—29号点区间的深部存在一处不闭合的低阻异常区，推测为-100 m中段巷道引起，其浅部所显示的低阻异常，推测为+10 m中段巷道引起，具充水现象。

3.1.6 L9线电阻率特征分析

L9线位于铜矿区水塔北，起点坐标(4 150 910，40 603 784)，方位36°。视电阻率反演断面如图11所示。

图11 L9线高密度视电阻率断面Fig.11 High density apparent resistivity section of L9 line

由图11可知，L9线高密度视电阻率断面等值线较杂乱，多表现为高低阻相间特征，由数个团块状异常区组成。8号点附近浅部存在一处低阻异常，据相邻测线异常形态推测，应为断裂破碎带充水引起。17—23号点区段浅部呈低阻反应，推测为+10 m中段及+50 m中段巷道充水所致，且在17号点深部存在1处较明显低阻异常区，推测为-20 m以及-50 m中段巷道综合反应。28—30号点区段显示低阻凹槽及次高阻区域，推测为+10 m中段巷道充水引起。35—38号点深部有不闭合的低阻异常区，推测为-20 m中段巷道充水引起。高阻异常区则推测为致密基岩区。

3.1.7 L12线电阻率特征分析

L12线位于工区西侧，起点位于工区西缘山坡上，坐标为(4 151 294，40 603 621)，测线方位为108°。视电阻率反演断面如图12所示。由图可知，L12线电阻率形态简单，浅部主要为低阻特征，深部呈现高低阻相间特征。11—14号点区段深部存在不闭合的较低阻异常区，推测为+10 m中段巷道反应。20—23号点区段存在明显的低阻凹陷区，延深较大，与相邻测线进行对比，推测该低阻异常区为断裂破碎带充水导致电阻率降低。35—41号点区段浅部存在3～4个低阻异常，推测为-20 m中段巷道塌陷在地表造成裂隙充水引起。

图12 L12线高密度视电阻率断面Fig.12 High density apparent resistivity section of L12 line

3.2 异常区圈定

根据物探断面图上低阻异常区的平面展布特征，针对工作区内主要的具有一定规模的区域，进行了异常区的划分，共圈定6处异常区。结合已知的工程地质资料，对7条典型剖面进行了描述和推断分析。根据已知中段巷道分布及电阻率对应位置进行对比可以看出，巷道或者采空区地球物理特征主要反映为低阻特征，推测原因为巷道充水。由于巷道多穿过矿体，造成巷道内水体矿化度较高，导电性较好，在地电特征上表现为低阻特征。另外，由于局部上巷道密集，且受到采空区局部塌陷，造成地表裂隙发育，充水后在地表浅部 形成低阻层，对深部采空区形成屏蔽，造成深部采空区深度反演出现误差较大。

受到浅地表低阻屏蔽层及工业电干扰，瞬变电磁资料信噪比较低，且覆盖区段有限，但是能够在一定程度上对高密度电法资料进行比对。反演资料表明，瞬变电磁成果与高密度电法具有较好的一致性。

4 结论

通过此次工作，对工作区开展了全覆盖式的高密度电法测量，并在地形允许部位开展了瞬变电磁测量工作，对高密度电法测量成果进行了有效验证，不仅采集了工区地下电性异常体的参数，而且通过异常与已知工程资料进行对比，断定低阻异常区与采空区或巷道有很好的对应关系，达到了预期目的。

综合所有高密度电阻率剖面曲线和纳米瞬变电磁曲线反映的地球物理特征，结合地质特征资料，反演后视电阻率断面图和已知巷道能很好地吻合，低阻异常区多对应于各中段巷道或者采空区。根据已知钻孔资料及地下水位年平均深度，推测大部分巷道已被水填充；仅在矿区地势较高处，主要巷道处于未赋水状态。经钻探施工验证，与探测结果相符，证明综合物探探测技术有效。