章丘粘土矿采空区探测的地球物理法应用

郑志宏 尹桂博

摘 要：山东章丘地区由于长年累月的开采矿资源，造成了大面积采空区的形成，不仅严重影响了工农业的正常生产，还阻碍了当地经济的快速发展，为了解决这一问题，现针对工区地质及地球物理特征，利用高密度电法相关装置，根据等值现断面图相关参数，完成对粘土矿采空区的异常特征进行全面比较，比较结果表明：通过将高密度电法相关装置与三极装置进行充分结合，不仅可以精确反映出采空区的实际位置以及采空区的大致空间形态，还能实现对采空区的准确探测。总之，通过将高密度电法与可控源音频大地电磁法进行充分结合，极大地提高粘土矿采空区探测结果的准确性和真实性，使得地球物理法科学应用于地质灾害调查和治理领域中，为促进社会的和谐稳定发展打下坚实的基础。

关键词：高密度电法;可控源音频大地电磁法;粘土矿采空区;山东章丘

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0140-04

Abstract：Due to years of mining resources in Zhangqiu area， Shandong Province， a large area of mined out area has been formed， which not only seriously affects the normal production of industry and agriculture， but also hinders the rapid development of local economy. In order to solve this problem， according to the geological and geophysical characteristics of the work area， the high-density electrical method is used to complete the construction according to the relevant parameters of the equivalent current section map The results show that： by fully combining the high-density electrical method device with the three pole device， it can not only accurately reflect the actual location of the goaf and the general spatial shape of the goaf， but also realize the accurate detection of the goaf. In a word， through the full combination of high-density electrical method and controlled source audio magnetotelluric method， the accuracy and authenticity of clay mine goaf detection results can be greatly improved， so that geophysical method can be applied to the field of geological disaster investigation and management， and lay a solid foundation for promoting the harmonious and stable development of society.

Key words：high density electrical method; controlled source audio frequency magnetotelluric method; clay mine goaf; Zhangqiu， Shandong Province

在我国国民经济水平的不断提高下，工业和农业生产规模不断增大，这无疑增加了对矿产资源的需求量，在这样的背景下，我国对矿产资源的开采量日益递增。目前，山东章丘出现大面积采空区，尽管对该地区进行回填处理，但是回填效果无法達到预期目标，仍然对工农业生产造成了严重的影响，为了科学探测粘土矿采空区位置，解决大面积采空区问题，如何将地球物理法科学应用于章丘粘土矿采空区探测领域中是相关人员必须思考和解决的问题。

1 工区地质及地球物理特征

该工作区的厚度达到了20m左右，四周的岩石内部组成部分主要以粘土、粉质粘土为主，部分地表电阻率较低，通常为20Ω·m左右，工作区以下属于二叠系，其厚度相对较高，达到了30m左右，其岩性内部主要组成部分以砂岩和泥岩为主[1]，其中，砂岩电阻率比较高仅达到了30Ω·m左右，泥岩电阻率相对较低，达到了30Ω·m蒙皮壳单元左右。该侦探区所对应的区域属于粘土矿采空区，经过长期的渗透风化后，地表层内部结构遭到了极大的破坏，导致采空区出现塌陷问题，为了解决这一问题，现将地球物理法应用于章丘粘土矿采空区探测中，以实现对采空区的有效保护。

2 章丘粘土矿采空区地球物理特性

站在物理角度，对采空区所处的地质条件以及物理特性进行分析，得出以下几个采空区地球物理特性。

（1）当山东章丘形成大面积的采空区后，该区域的电阻率会呈现出不断增长的趋势，从而形成具有高电阻体的采空区，使得该区域四周的岩性出现较大的差异，此时，需要采用地球物理法，对采空区的物体特性进行研究，发现该地区具有良好的物理条件，当采空区的塌陷问题解决后，该区域的电阻率会呈现出不断下降趋势。与多金属矿体相比，通过使用高密度电法，对采空区进行填充处理后，发现采空区的探测难度不断增大。

（2）矿产资源通常具有良好的导电性能，因此，在使用高密度电法对其进行测试时，需要保证岩体具有良好的导电性，只有这样，才能保证采空区的探测结果的准确性和真实性。

（3）当山东章丘采空区经过开采和挖掘后，该区域的土地质量会出现亏损现象，导致采空区出现塌陷问题，使得采空区一直处于不充水状态，此时，采空区的质量亏损值一直保持不变，但是负密度值却大幅度下降，进而严重影响了采空区的厚度值，当采空区进入到充水状态后，发现亏损质量得以有效改善。

3 勘查技术方法及效果比较

3.1 工作布置

在这一环节中，相关人员要根据地质资料，做好对采空区情况以及施工现场条件的大致了解，同时，还要采用高密度电法开展相关工作[2]，当重点侦查区被全面检查完毕后，可以进入到可控源音频大地电磁环节中，然后，还要将地球物理法测网的长宽分别设置为20m、5m，并使用11条测线，确保所检测的剖面长度达到3050m。此外，还要将可控源音频大地电磁法测网的长宽分别设置为20m、10m，当两种方法所检测到的测线发生重合现象后[3]，完成对8条测线的布设工作，此时，将剖面长度控制在1459m以上，利用RTK实测软件，得到采空区的具体位置。同时，还要使用瞬变电磁仪器，采用瞬变电磁法，完成对章丘粘土矿采空区探测结果的精确测量，瞬变电磁法技术参数选定如表1所示。

高密度电法测量结果如图1所示。 从图中可以看出， 300m×300m框符合本区工作开展需求。

3.2 高密度电法

3.2.1 高密度电法原理及优点

高密度电法作为一种常用的地球物理法，主要用于对被测目标体育周围介质之间导电性能的侦探。当采用人工方式对地下的直流电场进行加载处理时，需要使用事先设置好的电极系，完成对该区域电场分布情况的观测。这种方法具有自动化控制水平高、采集信息量大成本地、便捷高效等优点，被广泛地应用于采空区探测领域中，为进一步提高采空区的探测结果的准确性和真实性创造良好的条件。

3.2.2 装置选择

在对装置进行选择的过程中，相关人员要严格遵循装置操作简单、使用成本低、经济适用等原则，选出合适的装置。此外，为了精确地分析和对比多种装置对采空区异常特征的影响，相关人员要针对现场施工相关条件，选出以下3种装置，分别是温纳装置、施贝装置和三极装置，并将各个装置之间的间距控制在5m以上。

3.2.3 不同装置断面图比较

温纳装置、施贝装置和三极装置所对应的等值线断面图形态基本保持一致，但是，在粘土矿采空区内，这3种装置所对应的采空区低阻异常能力却出现力极大的差异[4]。其中，温纳装置所对应的电阻率等值线呈现出比较平缓的变化趋势，对于低阻体而言，往往呈现出灵敏度差、分辨率差等问题，因此，不符合探测小面积采空区相关标准和要求。施贝装置所对应的电阻率等值线呈现出比较变化趋势比较明显[5]，对于低阻体而言，往往表现出灵敏度强、分辨率高等特点，因此，该装置符合小面积采空区的探测相关标准和要求。三极装置所对应的电阻率等值线与温纳装置比较类似，对于低阻体而言，具有相对较高的灵敏度和分辨率，符合小面积采空区探测相关需求。

3.3 可控源音频大地电磁法

3.3.1 可控源音频大地电磁法原理及优点

可控源音频大地电磁法作为一种常用的电磁法，主要借助人工控制的方式，对场源的实际频率值进行测定，这种人工场源测定法可以有效地突破场源信号弱等弊端，不仅可以实习对电磁场相关参数的科学调整和控制，还能保证电磁波传输效率，为实现对采空区频率值的精确探测产生积极的影响。该方法具有操作效率高、操作效果显著、抗干扰能力强等特点，可以增大采空区深度侦探范围，采空区深度侦探范围通常在2～3km之间，水平方向所对应的分辨能力较高，为实现对采空区的立体观测，进一步提高采空区探测结果的准确性发挥出重要作用。因此，相关人员要重视对可控源音频大地电磁法的应用，只有这样，才能确保采空区探测工作能够正常、稳定、有序地开展。

3.3.2 可控源音频大地电磁法具体应用

在可控源音频大地电磁法应用下，所得到的等值线断面图信息如下：反演深度范围在29～99m之间，变化趋势比较明显的低阻区域达到了3处，这3处的剖面长度范围分别为49～84m、110～139m、161～176m，其中，在49～84m范围内，所对应的低阻变化趋势最为明顯[6]，等值线断面图呈现出“V”字形，由此可见，当反演深度在29～99m之间时，会形成大面积的采空区，在110～139m范围或者161～176m范围内，反演深度在39～99m之间所形成等值线断面图会呈现出“U”字形状。

3.4 高密度电法与可控源音频大地电磁法异常比较

通过将3线高密度电法所对应的等值线断面图与可控源音频大地电磁法二维反演所对应的等值线断面图进行对比，发现在两种不同方法下，均可以精确地反映出剖面比较突出的低阻异常问题。对于高密度电法而言，当剖面长度在49～84m之间时，可以真实地反映出比较完整的异常问题，如低阻“V”型异常问题和低阻“V”型异常问题，对于可控源音频大地电磁法而言，其二维反演所对应等值线断面图出现的异常问题，通常在深度和宽度两个方面所呈现的变化趋势更为明显，与高密度电法所对应的异常问题相比较而言，第二个异常问题较为突出，但是，从深度和空间两个方面上分析，发现可控源音频大地电磁法所反映的突出问题往往比较直观、形象。总而言之，无论是高密度电法，还是可控源音频大地电磁法，在具体的应用中，均可以精确地反映出低阻异常问题所对应的实际位置，为精确地显示采空区的实际空间形态提供重要的依据和参考。

3.5 物探推断成果

当山东章丘形成的采空区面积较大时，整个采空区区域会形成3块比较大的区域，发现采空区所对应的垂向深度信息如下，顶部埋入深度在29～37m之间，底部埋入深度在47～79m之间，同时，整个采空区埋深高度由北向南不断加深[7]。

4 钻探验证

根据最终的地球物理法推断结果，将验证孔布置为3个，其中一个验证孔被推测为无粘土采空区，其孔号为K1，另外两个验证孔被推测为有粘土采空区，其孔号分别为K2、K3。其中，K1孔主要位于高密度电法剖面119m位置处，通过利用地球物理法，所对采空区的深度进行检测，发现其深度范围在33～79m之間，经过钻探验证后，发现3段采空区，这三段采空区长度范围分别为36.69～42.00m、43.19～46.69m、70.00～73.00m，最终钻探孔深度达到了103m，与地球物理法所得到的钻探验证结果基本吻合[8]。K2孔主要位于7线位置处，所对应的地球物理法剖面长度达到了142m，地球物理法所推测的采空区深度范围在34m～72m之间，经过钻探验证后，发现3段采空区，这三段采空区长度范围分别为36.19～40.12m、46.00～51.00m、62.00～67.32m，最终钻探孔深度达到了101.39m，与地球物理法所得到的钻探验证结果基本吻合。K3孔主要位于5线位置处，所对应的地球物理法剖面长度达到了192m，地球物理法所检测的位置不存在任何采空区，经过钻探验证后，在采空区的31.39～32.35m深度范围内所达到的采空回填土深度达到了0.79m，此时，孔钻最终深度达到了100.62m，与，与地球物理法所得到的钻探验证结果基本吻合。

5 结语

综上所述，通过将地球物理法应用于章丘粘土矿采空区探测领域中，得到以下结论：

（1）通过将高密度电法与大地电磁阀进行充分结合，不仅可以起到优势互补的作用，还能快速精确地计算和推断出粘土矿采空区的实际空间位置。

（2）在高密度电法应用下为了保证采空区探测结果的准确性和真实性，相关人员除了要选择合适的探测装置外，还要在保证实验剖面成果的前提下，选出3种常用常用装置，以实现对粘土矿采空区异常形态的科学测量，然后，根据相关资料，精确推断出采空区实际状态。

（3）利用可控源音频大地电磁法对采空区进行探测的过程中，要科学控制和调整探测网相关参数，同时，还要将测网埋藏深度控制在100m以下，只有这样，才能精确地得到采空区的真实空间形态。

（4）对于粘土矿采空区而言，其周围岩石出现低阻值问题时，相关人员要充分考虑采空区的实际位置，并分析和解决等值线断面图出现的低阻值异常问题。

参考文献

[1]宋希利，宋鹏，田明杨，等.地球物理方法在章丘粘土矿采空区探测中的应用与方法对比[J].山东国土资源，2014，30（9）：76-78+83.

[2]赵乐涛，王永章，韩良德，等.应用于铁矿采空区探测的地球物理方法概述[J].西部探矿工程，2011，23（01）：112-114.

[3]王硕，吴波，王健，等.应用于采空区探测的地球物理方法概述[J].科技信息，2009（024）：76.

[4]王善勋，杨文锋，张卫敏，等.瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012，9（4）：400-405.

[5]薛国强，潘冬明，于景邨.煤矿采空区地球物理探测应用综述[J].地球物理学进展，2018，33（05）：2187-2192.

[6]范殿贵.硬质粘土矿废石回填采空区的探讨[J].矿业快报，2000（14）：12-13.

[7]任鹏.采空区影响下红粘土边坡变形失稳机理研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2020.

[8]焦小石.地球物理探测技术在采空区勘查中的应用[J].能源与节能，2018（11）：182-183.