金属矿山盲空区探测方法浅析

申随水 ，施强 ，毕炳坤

（1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471000；2.河南省金银多金属成矿系列与深部预测重点实验室，河南 洛阳 471000；3.自然资源部贵金属分析与勘查技术重点实验室，河南 洛阳 47100）

0 引言

矿山在不同历史时期遗留下的盲空区，其开采时的采矿方式大多为民采或私采乱挖（包含古人采金、银、铜等遗留下来的一些古采矿洞），其平面、空间位置不明，形态各异。由于存在不安全因素、通道被封、积水等各种原因现在人员已经不能进入，无法开展直接的矿山盲空区测量工作。

由于上述盲空区的存在，当盲空区附近具有一定的外力作用，其周围岩石应力（特别是上覆地层）发生改变，极易发生严重的地面塌陷，严重威胁当地人民群众的生命和财产安全；同时，盲空区的存在又影响着现有矿山企业深部采矿工程的安全。因此，采用间接方法对盲空区进行探测是大多数矿山建设面临的重要安全问题，对盲空区的探测有利于促进矿山安全生产工作。

国内外许多学者都曾对岩溶、盲空区、防空洞等不同的地质体，用不同的探测手段（主要是高密度电阻率法、探地雷达等物探探测方法手段）进行了研究（冠绳武等，1994；邓居智等，2001；邓居智等，2002；刘晓东等，2002；刘晓东等，2003；朱自强和戴亦军，2004；高宇平等，2008；丁荣胜等，2010；李耀华等，2011；贾永梅等，2012；王东和方玉满，2012；杨镜明，2012；刘文强，2018），取得了较好的应用效果，但较为全面系统地阐述矿山盲空区探测方法的研究鲜见。笔者试图在总结个人长期实践工作经验及分析前人研究成果的基础上，对矿山盲空区的探测方法进行归纳，供同行参考。

1 盲空区探测方法

目前，盲空区探测方法按探测的先后次序大体可分为矿区地质及历史采矿资料收集与分析、地表调查、物探探测、钻探验证与盲空区深度校正、资料综合分析与评价5个步骤。在盲空区探测工作中，通常是先充分收集矿区地质及历史采矿资料并进行详细的分析与评价，初步确定盲空区在矿区内可能存在的平面位置；其次是开展地表走访调查工作，详细访问调查地面建筑物的破坏历史及现状、地面塌陷区的现状及发生时间、老窿口的分布范围及开采历史等，进一步缩小盲空区可能存在的平面位置；第三是结合矿区水文工程地质条件有选择地在已知盲空区上开展物探探测盲空区方法试验，之后采用最有效的物探方法对盲空区进行探测；第四是在不同类型物探推断异常之上开展工程钻探验证；最后开展探测成果资料综合分析与研究，最终对盲空区的分布范围、规模形态、埋深及稳定性进行评价，为将来的综合治理提供依据。

1.1 矿区地质及历史采矿资料收集与分析

全面系统地收集矿山以往的地质报告、地灾评估报告、施工坑道、矿山的开采状况；收集矿区范围内及附近的区域地质、矿山地质、水文地质、工程地质、环境地质及气象水文资料；收集矿区内的矿床开采范围、深度、厚度、时间和开采技术条件；收集矿区以往盲空区调查成果等资料。之后，对所收集到的资料进行综合分析、整理，初步了解矿山的开采历史、矿体的大致分布范围，初步确定盲空区在矿区内可能存在的平面位置，在野外初步踏勘工作的基础上，指导盲空区调查工作。

1.2 地表调查

对矿区内外的地质环境和受盲空区影响产生的一些工程形变地域进行详细的地表调查工作。主要通过民访和民调的方式进行，工作采用方格网式路线进行。访问工作要逐户了解，开展调查工作时需聘请经验丰富、熟悉情况的当地人当向导。地表走访调查工作重点主要有以下3个方面：（1）地面建筑物变形的位置、发生变形时间、破坏形式、程度、房屋变形严重程度与房屋距地下采矿工程距离等；（2）塌陷区的平面位置分布、发生时间、大小、特征、周围地表次生地质灾害发肓现状以及地面塌陷区形成的深层次原因（地压作用的影响、盲空区顶板埋深、采矿层段是否重叠、采矿层段之间的厚度、采场跨度、采场的极限跨度、采场的有效安全厚度等）；（3）老窿口的平面位置分布、开采历史、开采年限、开拓方式、主要采矿方向、以往是否出现采矿安全事故等各方面的信息。上述3个方面的走访调查及各种工程及地灾调查点的调查成果要尽可能的具体细致。

地表走访调查的目的是在矿区地质及历史采矿资料收集与分析的基础上，对矿区地质及历史采矿资料收集与分析，对地表走访调查成果进行综合分析研究，进一步缩小盲空区可能存在的平面位置，确定开展物探探测盲空区的平面位置及探测深度。

1.3 物探探测

物探是基于物理学中的电、磁、波、质量、光、热等理论为基础，其方法应用以目标地质体与周围介质的物性差异为前提，如电性、磁性、密度、波速、温度等，根据物性差异选择正确的方法与技术进行勘查（郭建强和朱汝烈，2003；廖育民，2003），一般都可以获得较好效果。包括盲空区在内的任何地质灾害的发生、发展都会引起地球物理场的变化，因此在盲空区调查工作中开展物探探测工作具有良好的地质与地球物理前提。此外，物探探测具有快速、经济、准确的特点，在岩溶、盲空区、地面塌陷、滑坡等地质灾害勘查评价方面具有其它探测方法所不具备的优势。

物探探测矿山盲空区的方法很多，主要有：高密度电阻率法、瞬变电磁测深法、探地雷达、微重力测量、高精度磁测、浅层地震等方法。众所周知，不加选择地同时开展所有物探方法既浪费时间（工作效率低下）又不经济可行（增加了探测成本）。这就要求首先开展物探方法探测盲空区方法试验研究，遵循由已知到未知、由点到面、由简单到复杂的原则，在已知地质资料的地段，根据不同的物性差异，选用不同的物探方法开展试验，然后将各自的试验成果进行对比分析，建立地质—地球物理模型，合理地选取各种技术参数，指导面上物探数据的正确采集，从而保证对数据处理、资料解释以及成果推断具有参照性和可比性；选用合理的物探方法进行优化组合，对盲空区进行扫面探测，了解目标地质体的赋存形态、规模、埋藏深度等特征。

下面以在盲空区探测中应用最为广泛的高密度电阻率法为例具体说明物探在矿山盲空区探测中的探测效果。

河南汝阳东沟钼矿早期多为小规模民采，开采方式多为竖（斜）井加平巷，且多在无序的状态下进行，采矿斜井、竖井、平硐近八十个，深度由几十米至几百米，采场跨度长、宽度、高度大，各种规格、不同标高的地下工程、地下采场纵横交错，地下盲空区分布范围、状态不清，严重影响东沟钼矿的安全生产和区内居民居住安全。为查明矿区内盲空区的分布范围及埋深，切实保障人民的生命和财产安全，同时为下一步矿山安全生产及安全防治工作提供科学依据，开展了实地走访调查民采坑道及盲空区，物探以高密度电法为主、瞬变电磁法为辅探测盲空区的分布范围和深度，钻探验证物探推断的盲空区并修正物探解释结果，最终提高物探解释精度，测绘精确测定物探测量点位及验证钻孔坐标保证盲空区空间坐标精度。

根据矿区实际工作条件及探测深度和精度，确定使用高密度电法和瞬变电磁法两种方法。高密度电法适合接地供电条件好、没有房屋等障碍物的工区；高密度电阻率测量兼具剖面法和测深的功能，具点距小、数据采集密度大的特点，能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、产状等；与常规视电阻法相比具有测点密度大、一次可以完成纵横二维勘探过程，实现了视电阻率的快速采集；观测精度较高，数据采集可靠，对地电结构具有一定成像功能，能获取丰富的地质信息，可以同时采集剖面纵、横方向上的信息，既可在地面上寻找追索、圈定异常位置，确定性质，又可在垂向断面内作定量解释。本区就是先采用该方法的定性解释，圈出盲空区位置、范围，再利用纵向信息对其埋深等进行定量解释。瞬变电磁法测量精度高、探测深度大，适合房屋等障碍物多、岩石裸露、接地供电条件不好的工区。通过高密度电法和瞬变电磁法测量工作，可初步查明盲空区的分布范围和深度。

高密度电阻率测量使用仪器为WGMD-3型高密度电阻率测量系统，采用α排列（温纳装置AMNB）进行固定断面扫描测量，电缆总长600 m，电极60 根，点距10 m，AB/2min=15 m，AB/2max=240 m。野外数据采集利用程控电极开关和电法仪器实现数据的快速自动采集、自动存储。数据反演利用“RES2DIN”软件，使用基于准牛顿最优化非线性最小二乘算法，并利用测量成果采用有限元法对实测数据进行地形改正，保证数据的真实性。

矿区内主要地层岩性为第四系黄土、碎石土、安山岩、破碎安山岩、花岗斑岩及破碎带。采用野外小四极露头测定岩石物性，测定结果见表1。

由表1可知，区内岩性的电阻率特征为：花岗斑岩最高，均值5976 Ω·m，安山岩次之，均值2036 Ω·m；第四系及破碎安山岩的电阻率为同一数量级，均值200 Ω·m左右；碎石土及破碎带的电阻率最低，均值48.8 Ω·m、56 Ω·m。

表1 东沟钼矿盲空区探测物性测量统计表

根据在已知盲空区上开展的方法有效性试验资料（张向宇等，2009），作为项目调查的标的对象——盲空区多位于安山岩及花岗岩中，围岩较稳固，岩石富水性极弱，一般属隔水层，因此盲空区的物性特征表现为高电阻率，且这种高电阻率特征主要为盲空区与其周围岩石在电阻率方面的相对强度上。上述物性特征为本区运用高密度电阻率测量进行地下盲空区调查提供了良好的地球物理前提。

在东沟钼矿5线探测盲空区的实例如图1所示，盲空区在地电断面上主要反映为高阻异常特征，在一定极距深度内呈水平层状间断高阻闭合圈，图2为经过地形改正后的反演成果图，能很清晰地将盲空区异常分离出来，探测效果显著。

图2 东沟钼矿盲空区高密度电阻率测量5线ρs反演断面图

在矿区接地供电条件不好的地区开展了瞬变电磁测深，在420 m标高的视电阻率平面等值线图上出现3个明显的局部异常（图3），推测为3个盲空区。后期矿山探矿均在相应位置见到了盲空区，说明瞬变电磁测深探测盲空区是有效的。

图3 东沟钼矿盲空区瞬变电磁测深420 m ρs平面等值线图

1.4 钻探验证与盲空区深度校正

（1）钻探验证

图4、图5是东沟钼矿探测盲空区工程钻探验证实例。如图4所示，验证孔ZK1所在高密度电阻率测量反演断面上有一中心距地表埋深约35 m，宽约70 m的高阻地质体，ZK1的施工结果于孔深56.72 m触到盲空区顶板，孔深72.64 m触到盲空区底板；图5中验证孔ZK4所在的高密度电阻率测量反演断面上显示有一中心距地表埋深约40 m，宽约100 m高阻地质体，钻探结果在孔深56.22 m深度处触到盲空区顶板，在孔深64.27 m深处触到盲空区底板，盲空区高8.05 m。

图4 东沟钼矿盲空区ZK1（左）、ZK4（右）验证剖面

（2）盲空区深度校正

对不同的物探异常类型进行钻探验证，为物探测量成果的综合分析研究、修正物探解释结果、提高物探解译精度提供依据。通过施工验证物探异常区的位置及其它信息。由钻孔验证的盲空区顶底板埋深对全区物探异常的深度进行修正。

根据已知盲空区埋深、3个盲空区验证钻孔所见盲空区顶板底板埋深及其所在断面反演图上异常特征，对测深断面所反映的异常进行系统的深度校正。由上述已知盲空区及3个钻孔盲空区顶板、中心和底板埋深校正系数按算术平均值进行统计，得出全区断面异常综合校正系数。全区断面异常综合校正系数取值见表2。

表2 东沟钼矿盲空区探测高密度电阻率剖面异常及深度推断校正系数

1.5 资料综合分析与评价

在盲空区调查工作中，充公利用地表走访调查、地下采矿工程等信息并对其进行了定量化的定义、赋值，提高了这些模糊信息在盲空区评价中的作用。对收集到的有关盲空区的信息进行全面整合，加强信息的综合利用，减少单因素误判的可能性，使盲空区的圈定和评价更具有定量意义上的科学性（李刚等，2002；汝亮等，2012；李莲英，2012；张伟等，2019）。

通过矿区地质及历史采矿资料收集与分析、地表走访调查、物探探测、钻探验证与盲空区深度校正等探测成果对矿区内盲空区进行综合分析与研究，最终对其危险性进行评价。

2 盲空区划分

2.1 盲空区可信度划分

根据盲空区调查综合信息与以下几个条件的吻合程度进行盲空区判定：（1）集中分布于矿区勘探报告圈定的主矿体之内或边部；（2）已施工的大量地下采矿工程，形成了“楼上楼”盲空区现状；（3）地面建筑物显示出不同程度的拉张裂缝；（4）盲空区上方个别地段在不同时期已形成了多处塌陷坑；（5）物探探测的反演断面上显示有明显的与“响应模型”一致性，异常空间形态能够对比连接。

根据以上划分依据，对盲空区调查综合信息进行如下的级别划分：A级：已知盲空区、已知塌陷坑、钻探验证盲空区、地面建筑物拉张裂缝区，地下工程较密集，在物探异常中定性为可能性大盲空区。B级：地下工程较密集，物探异常定性为可能性大或中等盲空区，地表建筑物局部有轻度受损迹象的地域。C级：地下工程稀疏，仅有物探异常定性为可能性中等或小的盲空区电阻率异常的地域（这些区域一般面积较小，很可能是一些小体积盲空区）。

以上的分级划分反映的是盲空区的可信度。A级表示可以肯定的盲空区（其存在性是肯定的，其空间形态局部是推测的）；B级表示盲空区存在的可能性较大的地域；C级表示仅有物探异常而无其它资料佐证且规模较小的推断盲空区。

2.2 盲空区危险性划分

盲空区危险性分区依据主要有以下5 条：（1）“以人为本，安全第一”的原则；（2）水文地质工程地质条件；（3）盲空区划分级别；（4）已确定或推断的盲空区顶板埋深；（5）处于矿区内主要的构造破碎带附近。

根据以上依据综合分析进行盲空区危险性区域划分：一类为危险性大区，二类为危险性中等区，三类为危险性小区，具体特征如下：（1）盲空区危险性大区（一类区）：矿区内人口相对集中，民居建筑较多，房屋陈旧，房屋结构以木结构居多，地质灾害点分布多，盲空区内已施工有大量的地下采矿工程，且这些地下工程具有由多个标高形成的“楼上楼”状况，盲空区周围的地面建筑物显示出不同程度的振动裂缝，物探解译盲空区顶板埋深距地表40 m以内、盲空区物探探测异常面积较大，处于矿区内主要的构造破碎带附近，容易诱发采空地面塌陷、不均匀沉陷等灾害。（2）盲空区危险性中等区（二类区）：区内人口相对一类区略少，地质灾害点相对较少，盲空区内地下采矿工程较少，物探解译盲空区顶板埋深距地表深度大于40 m、盲空区物探探测异常面积较小。（3）盲空区危险性小区（三类区）：地面无居民居住，盲空区内地下采矿工程稀少，物探解译无盲空区部位。

3 结论

客观存在的盲空区是危害矿山安全生产的重大因素，如何对盲空区进行探测是当前矿山企业所要面临的重要问题，本文在总结前人工作经验的基础上，提出了盲空区探测的5个方法步骤：矿区地质及历史采矿资料收集与分析、地表调查、物探探测、钻探验证与盲空区深度校正、资料综合分析与研究。

物探探测是盲空区探测的重要手段和方法，在盲空区探测中一定要遵循“由已知到未知、由点到面、由简单到复杂”的原则。在已知地质资料的地段，选用不同的物探方法开展试验，建立盲空区地质—地球物理模型；选用合理的物探方法进行优化组合，对盲空区进行扫面探测；物探探测成果解释应在定性解释的基础上进行定量解释工作，特别是要以已知地质信息为指导，通过现代计算机技术的应用，不断提高物探解释推断的准确性。通过实践证明：根据钻探验证盲空区埋深对盲空区物探测量断面异常进行深度校正，具有较高的可靠性，探测效果较好。

综上所述，探测成果资料综合分析与研究工作中应充分利用矿区地质及历史采矿资料收集与分析、地表走访调查成果，最终对盲空区的分布范围、规模形态、埋深及稳定性进行综合评价，为将来的盲空区综合治理工程提供依据。