基于三维高密度电法的露天铁矿充气型采空区探测*

张忠政 闫 迪

（1.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司露采分公司；2.东北大学资源与土木工程学院）

鞍本地区作为我国大型铁矿石原料基地，分布有数十个大型—特大型铁矿床，在该地区悠久的铁矿资源开采历史中，由于其经历了日伪时期时的疯狂掠夺式开采，以及矿业整合前的无序开采，导致在该地区铁矿地下一定深度空间内遗留了大量的不明采空区。目前，前人关于采空区的调查研究方法主要有两类，一类为机械性破坏方法（钻探等），另一类为无损的地球物理探测技术方法，如常见的高密度电法［1］、瞬变电磁法［2］、地震映像法［3］等，尽管在实践中取得了一定的效果，但主要属于点—线式的二维以内的探测技术，只能获取沿剖面方向上的地质-地球物理信息，且观测数据易受体积效应影响，不能完全展现地下空间的结构特征。近年来，三维地球物理探测方法逐渐发展起来，并以其中的三维高密度电法发展较为成熟。三维高密度电法是在二维高密度电法的基础上发展起来的，并基于有限差分法和圆滑约束最小二乘法进行正反演处理［4］，可以准确反映地质体的三维空间分布特征［5］，并可在温纳装置下通过采用不均匀测网方式提高反演效果及精度［6］。本研究以鞍本地区一大型露天铁矿为例，采用三维高密度电阻率法开展采空区探测研究，以准确查明采空区的三维空间位置、埋深和形态规模。

1 采空区三维高密度电法探测原理

三维高密度电法作为一种无伤探测技术，在地面通过测定目标地质体与围岩间的视电阻率差异及分布变化情况揭示地下地质体的分布特征，实现采空区的快速、高效精准探测。与二维探测技术相比，三维高密度电法通过多方位同时测量，能够有效减弱二维探测中存在的旁侧效应和异常扩展效应。

三维高密度电法探测技术在直流电阻率法的基础上发展而来，属于一种阵列勘探方法，其装置类型很多，野外工作时可根据测量范围和测量深度选择电极数量和确定极距。对于露天铁矿因其作业场所及地质条件复杂，探测时其影响和干扰因素较多，在常用的几种装置类型中，温纳装置对于垂直电阻率变化异常具有较强的分辨率和抗干扰能力，信号强度最强，适合在地电干扰强烈的情况下进行应用。本次进行采空区高密度探测时装置类型采用温纳装置，2个供电电极A、B和两个测量电极M、N位于同一直线上。

数据采集使用DUK-4高密度电阻率测量系统，野外测量时将全部电极置于测点上，采用“S”形阵列式布极方式，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪，实现三维观测系统数据采集，能够同时获得多方位的地电断面信息，降低旁侧效应和异常扩展效应，通过观察人工建立的地下稳定电流场的传导分布规律来进行探测分析，获取对应地区的地质信息。

2 采空区三维高密度电法探测数据处理方法

三维高密度电法探测数据处理步骤：①对于采集的原始数据进行格式转换和预处理；②剔除坏点，手动进行编辑、平滑处理，剔除因电极接地不良或现场存在其他干扰因素影响出现的数据突变点，消除数据采集过程中受到的随机噪声影响；③进行地形校正并设置参数进行反演迭代，生成视电阻率断面图；④将数据转换格式后进行三维可视化成像处理，构建采空区三维地质模型，并与钻孔及地质资料进行对比校正，在误差允许范围内实现对采空区的精准识别。

3 采空区探测实例

3.1 研究区概况

研究区位于鞍本地区一处大型深凹型露天铁矿，该区域成矿地质条件复杂，有不同时代侵入的岩浆岩及大规模混合岩化作用而形成的太古宙花岗岩和许多大小不等的酸—中—基性的岩脉分布。太古宙鞍山群是赋存条带状沉积变质型铁矿的地层，也是该区出露的主要地层之一，其次为震旦系钓鱼台组石英岩、南芬组泥灰岩、灰岩及第四系沉积层。区内褶皱发育不显著，发育断裂构造，主要为走向和横向两类断层。该地区铁矿资源的开发利用历史悠久，长期以来因劫富式及无序等开采行为造成地下矿权内存在大量不明空区，在采矿活动持续扰动下部分易引发地面沉降、崩塌等地质灾害，对部分被水充填的采空区，还可能会引发突水事故。

研究区铁矿体分布密集、规模大、储量丰富，矿区中混合花岗岩广泛分布于矿体周围，铁矿体及两侧的围岩呈残留状产于混合岩化岩体中，沿NW走向、NE倾向分布［7］。矿石主要为磁铁矿和赤铁矿，块状构造；矿体周围有不同程度的围岩蚀变，蚀变岩石呈片状构造，主要组成矿物有绿泥石、石榴石、闪石、云母类及硫化物等。本研究通过对该地区的岩矿石进行电性参数统计发现，区内矿石平均电阻率为400～2 000Ω·m，围岩电阻率为2 262～11 014Ω·m。

3.2 探测采空区类型及地质-地球物理特征

采空区根据其内部充填介质的不同可以分为：①空气充填型采空区，由于其内部充填介质为极低密度的绝缘空气，其电阻率往往明显高于周围围岩，具体表现为一种高电阻率圈闭的空间地球物理特征，电阻率值从核心到边界呈逐渐减小趋势［7］；②水充填型采空区，由于充填介质为裂隙水或渗透水，富含多种矿物质使其电阻率往往明显低于周围围岩介质。

本次探测区内的采空区处在潜水面以上，其内以充填空区为主，属于空气充填型采空区，对外表现出明显的高电阻率特征，具备采用三维高密度电法的基础条件。

3.3 采空区三维高密度电法探测

选择露天铁矿采场内跨经作业平台内的一处沉降变形区为探测区，测线布置受到采矿活动、地形地质等条件限制，由西向东共布设了5条测线，探测区域尺寸为165 m×20 m（长×宽），电极数280个，极距3.0 m，线距5 m。野外布线方式为“S”形（图1），数据采集装置为温纳装置，共完成5条探测剖面，最大探测深度约54 m，采集处理后在三维空间共获得有效数据2 475个。

3.4 探测数据处理与解译

将上述获得的有效数据进行基于圆滑约束的最小二乘法反演，并将反演结果导入三维可视化软件中进行成像处理，结果如图2所示。由图2可知：视电阻率为367～2 440Ω·m，整体上电阻率分布呈现由中间到两侧、由浅到深逐渐变大的特征。根据野外数据采集过程中的记录信息，沿测线方向有富铁矿体出露，并通过露头小四极法测得出露的铁矿石电阻率平均为992Ω·m，与图中平距48～120 m、埋深约0～50 m出现的部分相对应。根据场区岩性的电性特征，矿体两侧出现的高阻区为矿体围岩；由于矿区浅层地表岩石破碎导致近地表电阻率值明显偏高，表现特征与图中相对应。在沿测线方向62～78 m、深度29～50 m区域出现了局部高阻区，该区特征与两侧高阻区特征不同，并位于富矿体内，其异常区视电阻率值表现为由中心到边界逐渐变小，边界特征明显，可以推测此处为空气充填型采空区引起的局部高电阻率异常。

三维高密度电阻率法能够展示岩矿体的三维空间结构特征，不同电性界面可以清晰连续显示。采空区三维高密度探测电阻率等值面如图3所示。在三维空间模型图上选取了视电阻率值分别为1 210，1 095，980Ω·m的3条等值面图，模型中间区域电阻率值均小于980Ω·m，与铁矿石表现特征一致，推测为铁矿体；在模型两侧存在电阻率值高于1 210Ω·m的区域，与该地区的围岩特征类似，推测为围岩。

在围岩与铁矿体的下部边界处，存在一处高阻异常区，该异常区电阻率值从中间向周围逐渐减小，呈现连续的闭合圈状特征，与空气充填型采空区引起的异常变化特征一致，也是本次探测识别到的一处空气充填型采空区。从模型图上可以看到空区在不同埋深的分布变化情况，在垂直于测线方向呈现出中间窄两边宽的特征。除此以外，在沿围岩与铁矿体之间存在一个视电阻率为1 210～980Ω·m的过渡带，该过渡带上部与地面不均匀沉降区相连接，下部延伸至采空区，据此可推测地表不均匀沉降的产生是由于采空区引发的顶板失稳变形所致。

3.5 探测成果分析

对于探测结果中出现的异常区，其平面位置和地表沉降变形区域相临近，在其上部地表布设了钻孔进行钻探验证。钻探结果显示：在采空区异常位置埋深31 m处发现一处采空区，为空气充填型采空区，与研究识别出的电阻率异常区进行对比结果较为一致（图4），三维高密度电法相比钻探结果存在的最大误差在3 m以内。钻探验证结果表明：三维高密度电阻率法能够应用于露天铁矿等复杂地质条件下的不明采空区探测。

值得一提的是，常规二维高密度电阻率法探测技术尽管能够识别出地下采空区，但仅能反映采空区在单一剖面方向的展布特征，并且解译效果和精度受到剖面间距等因素影响。三维高密度电法探测技术通过一次全部布极实现多方位同时测量，建立采空区地下空间三维模型图，可清晰地反映地下介质空间的分布情况和边界特征，有效避免了二维探测存在的不足，实现了采空区的精准探测。

4 结论

（1）三维高密度电阻率法通过一次性全部布极、多方位同时测量方式实现探测，并可与钻探技术相结合，有助于提高采空区探测识别的有效性和精确性，同时实现经济效益和工作效率的最优化。

（2）以鞍本地区一大型露天铁矿为例，应用三维高密度电法在矿区铁矿体下部识别出了一处空气充填型采空区，与钻孔数据进行对比确定该采空区赋存标高为-31～-50 m，探测精度可达到3 m以内。

（3）三维高密度电法能够对复杂地质条件下的地下采空区进行精准识别，可为矿山进行采空区治理提供数据支撑。