综合电法技术在铝土矿采空区探查中的应用

胥克俊 王智强 杨 猛 张宏强3

（1.国家电投集团铝电投资有限公司；2.国家电投集团山西铝业有限公司）

山西省兴县铝土矿生产基地由于历史原因，周边存在民采破坏的情况［1］，遗留下大量不明采坑。这些遗留采坑几乎没有巷道采掘图，给铝土矿基地工业广场的建设及后续生产造成安全隐患，急需采用一种经济可靠的技术手段予以探明。

对研究区内地球物理特征、实际地形及施工条件等因素进行分析后，采用瞬变电磁法为主、高密度电阻率法为辅的综合电法技术进行探查，并通过钻探工作，对探查结果进行验证。

1 地质概况

研究区在兴县县城西北方向，位于魏家滩镇东磁窑沟村—杨家山一带，北起庙子井村，南到杨家山村，西起王家里村，东到郝家沟村。

根据矿体分布情况，本次采空区勘探工作分为5个铝土矿矿体（编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）进行勘测，研究区面积约3.28 km2，全区铝土矿埋深为0~203 m，详情见表1。

2 地球物理特征及综合电法的布设思路

电阻率是描述物质导电性能的一个电性参数。岩、矿石的电阻率值越大，其导电性就越差；反之，则导电性越好。瞬变电磁法是在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激起感应涡流，以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构；高密度电法测量的实质是直流电阻率探测地层剖面，将所有电极沿测线方向等间距布置好，由主机控制多路电极转换器，按编程实施自动转换供电和测量，并将测量数据记录到电子硬盘上。工作时，随着供电电极距的加大，电流场作用的范围加深、变广，因此，所测得相应视电阻率值的变化就反映了该点下方沿垂直方向上的电性变化情况。不同的地质体其电流场分布不同，在一定条件下，视电阻率的变化能反映地层岩性和结构的变化。

不同的岩石对应着不同的密度、导电性、弹性、放射性等物理性质，是地球物理探查工作的理论基础和前提。该区铝土矿被开采后形成采空区，破坏了原有的地壳应力平衡状态，使得采空区与围岩的电阻率值发生变化［2］。当铝土矿层存在采空破坏区，且采空破坏区内不含水时，电阻率呈现高阻特征。分析对比电性参数，区分物性差异，寻找异常区来划分采空区范围，是本次电法勘探的理论依据［3］。

一般情况下，岩性随深度发生变化，相应电阻率纵向（沿深度）上变化较大；但横向（沿测线方向）上变化较小，它的变化主要反映出采空破坏区规模的大小变化。所以，应用瞬变电磁法解释采空破坏区，主要是依据平面上的电阻率变化特征［4］。完整地层的电阻率在沿测线方向（横向上）是连续不突变的；纵向上（埋深方向）逐层增大，主要表现为低电阻率值的覆盖层、中电阻率值的含矿地层、高电阻率值的奥灰底板（图1）。采空破坏区的视电阻率在沿测线方向含矿深度位置发生突变，呈现高阻闭合圈，且视电阻率值高于正常地层（图2）。

本次探查工作依据铝土矿采空区在视电阻率顺层切片图上的特征，对异常区进行圈定和组合，大致圈定异常区范围；然后，再与拟视电阻率断面图进行对比分析，进一步优化铝土矿采空区分布范围，并结合地质、钻孔等资料作对应的综合地球物理与地质勘探分析，得出采空区的分布规律；最后，通过对全区地质资料进行综合分析，划定铝土矿层采空异常区，绘制出目的层采空破坏区分布图。

勘探区内不同区块矿层上覆覆盖层厚度差异较大，引起自上而下的视电阻率差异较大，加之原小窑破坏等客观因素的影响，导致各区块电性异常反映不尽相同。从各测线拟视电阻率等值线断面图中可看出，在矿层底板界面附近出现多处小范围高阻异常电性特征［4］。不同区块采空区范围的分析、圈定，主要依据拟视电阻率等值线的扭曲、密集、变形的形态，大体上以某一阈值进行划分。

3 铝土矿采空区探查的实例研究

3.1 二维拟视电阻率断面图特征分析

研究区内地形起伏变化较大，存在地形对观测数据的影响，故依据测点标高对探测深度进行地形校正，所有断面图件均采用视电阻率—高程数据绘制。在拟视电阻率断面图上，正常情况下的地层是指不受采空破坏、富水区、含导水构造等的影响，体现在地层的电性变化会呈现出一定的规律性，从而反映在拟视电阻率断面图上的值分布稳定，拟视电阻率等值线图呈似层状分布；相反，当存在采空区域及导水构造等情况下，拟视电阻率等值线图则发生扭曲、变形或呈密集条带状分布［5］。

本次工作选择了2条具有代表性的多测道电压剖面图及拟视电阻率断面图进行详细研究。

3.2 等值线断面分析图

图3为TEM-4线多测道电压剖面图及拟视电阻率等值线断面图，图3（a）中横坐标均为测点，纵坐标为二次电压值。从曲线形态的变化可看出二次电压值衰减的快慢程度，从而反映出不同地层拟视电阻率的相对高低变化特征。图3（b）中横坐标均为测点，纵坐标均为标高。填充渐变色代表了拟视电阻率低—中—较高—高的渐变过程。图中黑色粗虚线分别表示的是奥陶系灰岩为底板的界面。

从纵向上看，图中从浅到深其拟视电阻率整体基本呈现低—中—高阻的电性特征。

从横向上看，图中当矿体采空时，在拟视电阻率断面图上表现为“高视电阻率异常”，拟视电阻率参数曲线的相应段均有局部高，且呈不均匀体反映，在拟视电阻率断面图上，拟视电阻率等值线向上凸起，发生扭曲变化，呈条带状或圈闭的高阻区。

图3地形线上用红色线圈定的820~840 m范围为调查的地面开裂塌陷区。相对于整个勘探区来说，TEM-4线整体矿体埋深相对较浅，矿体被采空破坏后容易引起地表变形。

本次勘探区南部ZKA4-16钻孔揭露为采空破坏区，结合视电阻率等值线断面图可看出，在矿层底板界面附近740~840 m段拟视电阻率ρτ≥130Ω·m，相对偏高，拟视电阻率等值线向上凸起，发生扭曲变化，且有明显的分界线，推断740~840 m段为采空破坏区。

3.3 高密度电阻率断面图分析

图4为GMD-1线反演电阻率断面图，从图中可看出，此段地形起伏变化较大。从横向上看电阻率呈相对不均匀状态，地层未呈现出相对稳定的层状均匀特征反映，分析认为局部存在采空破坏区。从纵向上看，自上而下电阻率大体呈低阻—中阻—高阻的变化特征，与瞬变电磁法探测的地电特征基本一致。

结合瞬变电磁法的断面特征进行综合分析，720~820点深部呈相对的高阻电性特征反映，推断为采空破坏区，解释范围与瞬变电磁法基本对应。

3.4 二维拟视电阻率顺层切片图特征分析

绘制各测线拟视电阻率等值线断面图以及矿层拟视电阻率顺层切片图，在各测线断面图上可以看到沿测线断面方向上的视电阻率分布特性及电性异常，在切片图上可以看到目标层对应深度上的拟视电阻率分布特性及电性异常［6-7］。为简便起见，选择了Ⅴ号矿体拟视电阻率顺层切片图进行详细叙述。

按照矿体的分布范围及施工网度进行划分分区。勘探区Ⅴ号矿体南部及中部划定为一分区；北部划定为二分区；重点勘探区划定为三分区（加密区）。各分区的大体分布位置及范围详见图5。

图6为一分区拟视电阻率顺层切片图，从图中可看出拟视电阻率ρτ为80~175Ω·m，整体值较高。在覆盖层较薄的区块，结合断面图中等值线的变化形态，大体以拟视电阻率ρτ≥130Ω·m的等值线呈高阻圈闭状，划定为铝土矿采空破坏区；在覆盖层较厚的区块，大体以拟视电阻率ρτ≥150Ω·m的等值线呈高阻圈闭状，划定为铝土矿采空破坏区。

图7为二分区拟视电阻率顺层切片图，从图中可看出拟视电阻率ρτ值介于110~158Ω·m，整体值相对较高，结合各测线拟视电阻率等值线断面，图中等值线呈似层状分布，变化平缓，解释为未发现采空破坏区。

图8为三分区拟视电阻率顺层切片图，从图中可看出拟视电阻率ρτ值介于98~170Ω·m，整体值较高，结合各测线断面图中等值线的变化形态，采空破坏区的划定原则同一分区基本一致。

3.5 钻探验证

物探工作完成之后，圈定了采空异常区，通过钻探验证工作，施工钻孔2个（YZK5-1位于V矿体CK-3处、YZK5-2位于V矿体CK-6处），其中YZK5-1钻孔在30.80~33.20 m揭示出采空区，YZK5-2钻孔在50.64~51.48 m揭示出采空区，推测为铝土矿民采巷道，说明本区物探工作比较可靠。

4 结 语

本次工作在数据采集中结合多种数据处理的方法，获得了客观反映实际的电法多参数综合解释资料，提高了本次地质解释成果精度。物探工作完成之后，圈定了采空异常区，对矿区进行了采空区钻探验证，初步圈定勘测区范围内铝土矿的采空区位置及分布范围，为下一步矿产开发提供了可靠的资料。