基于CSAMT法的BIF型铁矿多层充水型采空区探测研究*

马 东 贾三石 付建飞 宫国慧

（1.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司井采分公司；2.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院；3.东北大学资源与土木工程学院）

天然地质作用形成的空洞称之为洞穴，人为因素形成的空洞则称之为采空区。但不论是天然的洞穴，还是人为的采空区，其一旦形成势必会改变岩土体的局部空间物质属性和力学性能，在外部因素扰动下极易诱发变形滑移和塌陷等次生地质灾害，造成难以估量的生命财产损失［1-3］。特别是在人类发展的历史进程中，对矿产资源开发利用过程中形成的各类采空区危害最大，在露天开采过程中容易造成冒落塌陷灾害，而在井下开采过程中极易诱发涌水灾害，这其中以开采历史悠久且为国民经济发展基础的能源矿山——煤矿和金属矿山——铁矿最为典型，尤其是煤矿的采空区探测和有关涌水灾害治理开展最早，取得了显著效果［4-5］。而对于铁矿来说，多以矿业整合后的露天开采为主，面临的多是早期无序开采遗留下的不明采空区，且整合开发早期面临的多以浅部的充气型采空区为主，多采用综合地球物理探测技术和钻探验证及高精度测量技术加以解决［6-8］。但随着近些年铁矿采选技术的不断进步，其规模化开采向深部逐步加深，并向外围不断扩展，面临的采空区类型也逐渐由充气型变为水—气复合充填型，直至充水型采空区。特别是在一些铁矿集中区，由于早期的无序开采和采富弃贫式开采，在潜水面以下形成大量多层的充水型采空区，一方面容易在露天铁矿加深开采扰动中塌陷，另一方面极易在井下铁矿开采中诱发涌水灾害，尤其严重危害井下铁矿的安全生产。但由于井下铁矿探测空间狭小、强电磁干扰、人文扰动等因素的限制，且探测采空区的深度均在100 m 以上，致使常规的采空区地球物理探测方法很难开展有效的充水型采空区探测。

针对上述井下铁矿充水型采空区探测技术难题，考虑到铁矿存在严重的人文和电磁环境干扰，结合充水型采空区低阻型特征和埋藏深度较大的特征，采用大功率的可控源音频大地电磁法（CSAMT）［9-11］进行探测试验。本研究选择典型BIF型铁矿分布区——鞍本地区内的充水型采空区为例，在前期成矿地质特征和地球物理特征研究的基础上，圈出重点部位开展充水型采空区的CSAMT 法探测研究，以查明采空区空间分布，为铁矿山采空区治理提供可靠依据。

1 BIF 型铁矿采空区充填介质类型和地质—地球物理识别特征

1.1 采空区充填介质类型

矿产资源作为复杂地质作用的产物，因其矿物组成成分的不同而对外表现出一定的地球物理异常特征。对于BIF 型铁矿来说，由于其矿体为固态特征，被开采后遗留的空间为传统的“空洞”表现形式，这种形式易被流动态的物质充填而显示为对应的物性特征，而在自然界中流动态的物质常见的主要有空气和液态的水2 类。空气和水也是影响物质地球物理特征的重要因素，空气对外表现为高阻值特征，水对外则表现为低阻值特征。此外，还考虑到采空区在采矿扰动中不断冒落形成虚积体，虚积体的最大特征是空隙特别发育，其物性特征同样受流动性介质影响最大。基于此种认识，本研究将采空区充填介质分为两类：一类是充气型采空区，采空区内部的充填介质以空气为主；另一类是充水型采空区，采空区内部的充填介质以水为主。

1.2 采空区地质—地球物理识别特征

根据以物性差异特征为基础的采空区分类方案，可将采空区划分为充气型采空区和充水型采空区2类。

（1）充气型采空区。矿产资源开采后遗留的“空洞”主要为空气充填。空气作为一种极低密度的绝缘性气体，相比于“空洞”周围的残余矿体和围岩表现出极低密度、高电阻率和低电导率的物性差异特征，表明该类采空区可以采用重力法、电阻率法、电磁法和地震映像法进行单一或组合的地球物理探测。

（2）充水型采空区。矿产资源开采后遗留的“空洞”主要为水充填，且不是传统意义的纯水，而是矿山环境中富含多种元素和离子的水溶液。此类水溶液作为一种中低密度的导电性良好流体，对比于采空区周边的岩矿体，具有低密度、低电阻率和高电导率的物性差异特征，表明可以采用分辨率高的电阻率法、电磁法和地震映像法进行勘探。

1.3 大深度隐伏采空区探测技术优选

当前，地球物理探测技术方法多集中于对60 m深度以内的采空区进行探测研究［12］，具体探测方法有探地雷达法、层析电阻率法、地面重力法、地面高精度磁法、地震映像法和时间域电磁法等。这些方法的主要特点是分辨率高、效率高和操作方便，但探测深度有限，同时抗干扰能力相对较差，且对于埋深在100 m 以上的大深度隐伏采空区则无法进行有效地探测。为此，本研究结合前人成果［9-10］，考虑到矿山存在较强的人文环境干扰和强电磁干扰，且探测区间内的地表地形复杂的特点，优选了大功率发射、小设备灵活数据采集的CSAMT法。

2 CSAMT工作原理及数据处理方法

CSAMT 探测技术工作流程如图1 所示。实际测量工作中，CSAMT 法采用大功率发射的交变电磁场，主要用一个发射偶极子供电，就可以在发射区周围的4个很大的扇形区内进行测量，可以穿透覆盖层探测下方的地质体。此外，采用CSAMT 法进行数据采集时，只需要移动数据采集设备就可以进行大面积的地球物理探测工作，以得到地表以下一定深度区间内的电性立体分布，工作效率高。特别是由于卡尼亚电阻率相当于对观测值进行了归一化处理，使得同步地形变化的影响减弱，可以在复杂的野外地形条件中取得良好的探测效果。

本研究主要采用美国Zonge 公司生产的GDP-32综合电法测量设备，具体数据采集方法为标量法，即在测线测量过程中采用多道同时观测的方式（共用1个磁探头）来排列测量（1 个磁道，6 个电道），以观测视电阻率和相位曲线。在具体测量过程中采用较小的测量极距（10～20 m），主要在考虑探测目标体尺度和横向分辨率同时，改善高频信号的畸变。为了保证测量过程中高频电场的观测结果，务必使不极化电极与大地稳定而紧密接触，即不极化电极极差小于2 mV，电极埋入土中一定深度浇水。还要采用多级工频陷波压制工频干扰，并采用多次叠加和多次重复观测保证数据的稳定性。

CSAMT 法的数据处理包括野外数据预处理和后期处理2 个部分［12-15］，预处理为干扰校正、近场校正和静态校正，而后期处理主要是反演计算。具体来说，数据处理主要对单个突跳频点进行手动圆滑处理，并对各点数据进行高度校正，后期数据处理采用与采集设备配套的SS2D软件进行整理和格式转换，并以实测原始数据为基础，编辑反演模型。最后采用一维、二维反演数据处理方法反演数据，反演成果采用专业成图软件进行可视化处理，形成探测区电阻率分布剖面图和三维化可视图。

3 大深度多层隐伏采空区群探测区地质和地球物理特征

3.1 探测区地质特征

探测区位于华北克拉通北缘鞍本铁矿主产区内，该区内含铁建造为条带状磁铁石英岩。探测区所在的铁矿为典型的BIF 型富铁矿床，赋矿地层主要为太古界鞍山群茨沟组，茨沟组为变质岩系，其地层由老到新主要由下部角闪岩层、下含铁层、中部钠长变粒岩、上含铁层和硅质岩层组成。探测区内NW 向反“S”型褶皱带控制了铁矿带的分布，而区域性的NE向寒岭和偏岭断裂控制了铁矿带的南北边界，其内次一级的NE 向断裂则将铁矿带分割成若干个铁矿床，其内的铁矿体主要呈厚大的陡立状分布，而矿体两侧发育厚大的混合花岗岩。在具体地质构造上，探测区主要位于区内次一级的NE 向老岭断裂带内，老岭断裂带同时控制了探测区内铁矿体的分布，使该处的铁矿体不同于区域上整体NW 向分布，而在局部变为NE向分布。

区内铁矿体厚大且富，以致在地表以下数百米空间内既存在日伪时期采富弃贫遗留的采场式和巷道式老旧采空区，又存在铁矿整合开发以前无序开采和乱采乱挖形成的呈群呈层分布的不明采空区。这些采空区分布无规律，大部分处于地下潜水面以下，又经过长时期的水力循环而处于充满水的状态。充满水的采空区对于井下矿山的安全开采，特别是井下运输巷道开拓和铁矿石开采产生了极大的安全威胁，极易导致各类涌水和突水安全事故。

3.2 探测区地球物理特征及测线布设

区内对本研究探测影响较大的矿（岩）体为混合花岗岩、磁铁石英岩（贫矿）和磁铁富矿，三者电阻率均值分别为3 500、6 182、1 708 Ω·m。由于探测区处于磁铁矿发育区，区内的磁场则呈跳跃场分布。

为提高探测效率，降低探测成本，首先在早期地面高精度磁测成果图上圈出探测区富铁矿分布区段，同时结合早期开采现状调查资料圈出其内重点工作区段，并在该工作区段内布设CSAMT 测线和测点（图2），测线间距为20 m，测线点距为10 m。在具体探测过程中，测量的供电电极距为800 m，收发距为6 km，共设计了15 个频点，频率范围为64～8 192 Hz。对于获取的CSAMT 探测数据，主要利用设备自带的软件SCS2D进行处理，具体的反演方法为圆滑模型反演。

4 CSAMT法探测成果解译和验证

4.1 CSAMT法探测成果解译

探测区内采用标量法测量，Ex电场分量以6 道为一观测排列，共用一道磁场分量Hy，观测频率范围为64～8 192 Hz，期间进行 2 加密测量，具体观测方式为多次叠加覆盖取平均值，最大程度压制干扰，突出有用信息。区内测线间距为20 m，点距为10 m，近EW 向共布设了3 条测线，每条测线测点数为19 个，共采集数据测深点57个。同时对测量数据形成原始测点图，不存在曲线突跳和数据畸变点，说明了探测成果的有效性。

上述采集的数据经过系统处理和解译后，形成的探测成果如图3 所示。图3 中，L1测线从西向东分为2个近直立的电阻率异常区块带，左侧区块带厚大稳定向下延伸，结合地质勘探资料推测为混合花岗岩存在显示的地球物理异常；右侧区块陡立向下延伸，且低阻区圈闭特征明显，依据勘探数据资料推测为富磁铁矿体存在显示的地球物理异常。L1测线内部位于推测铁矿体内的低阻圈闭异常中，其电阻率明显小于富磁铁矿电阻率，可以推测为充水的采空区。参考L1测线解译思路，对L2和L3测线也进行了解译。与L1测线相比，L2测线所在部位构造发育（构造导通地表充水显示为明显的低阻异常），且导通地表，显示含水带从地表向下贯通，表明地表含水层通过构造与采空区相连，这也是导致采空区充满水的主要原因。与L2测线相比，L3测线除了显示构造发育外，其下方矿化体在深部存在突然消失现象，可为局部构造错断造成，进一步表明探测区构造发育。对于3 条测线推测的充水型采空区异常，厚度为20～50 m，埋深为80～300 m，整体为大深度多层隐伏充水型采空区群地球物理异常显示。

4.2 成果初步验证

首先对L1测线150 m 处下方的充水型采空区地球物理异常进行了钻探验证，在距离地表下方110 m处存在充水型的采空区。对于验证孔，地表0～9 m 为第四系覆盖层，9～105 m 为混合花岗岩，105～110 m 为磁铁矿，磁铁矿与混合花岗岩之间夹有薄层蚀变岩-绿泥片岩，110 m 下方为充水空区，即停止钻进工作。由于该探测区域是井下铁矿未来深部扩展的重点开采区域，矿山基于安全考虑在其下方对其进行打孔放水作业，避免在后期的深部开采中出现突发涌水而造成次生地质灾害。在放水过程中，本研究采用钻孔式三维激光测量设备对验证存在的采空区进行了精准测量，发现多是采富弃贫开采遗留下的巷道式采空区群，典型的巷道式采空区表面点云测量数据和3D实体重建结果如图4所示。

基于上述初步验证成果，本研究采用3D 实体重建技术对CSAMT法探测获得的充水型采空区异常数据进行了三维展示，可在电阻率异常中清晰地识别充水型采空区异常存在（图5），同时进一步立体化显示该区主要发育多层的充水型采空区群，为采空区安全治理提供了可靠依据。研究表明：CSAMT 法除了可以进行大深度矿产资源探测外［15］，还可以利用其高分辨率和抗干扰性进行复杂人文—电磁环境下的大深度隐伏多层充水型采空区群探测，这给金属矿山未来深部安全开采中水害超前预警探测提供了一种可靠方法。

5 结 论

（1）依据BIF 型铁矿采空区充填介质类型的不同及其物性差异特征，划分出了充水型采空区和充气型采空区，并提出了大深度充水型采空区探测技术方法。

（2）采用CSAMT法进行标量测量，在重点区段探测应用研究的3 条测线均识别出充水型采空区存在引起的地球物理异常，且经过钻探验证。

（3）应用钻孔式三维激光扫描测量技术和充水型采空区地球物理异常三维虚拟实体技术精准验证和重建充水型采空区异常，显示在探测区发育大深度隐伏多层充水采空区群。