高密度电阻率法在某锑矿盲采空区勘查中的应用

周水祥，李文辉

（1.湖南有色环保研究院有限公司，湖南 长沙 410100；2.湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司，湖南 长沙 410014）

由于前期的无序开采导致矿山地表以下存在一定形态的采空区，这些采空区的存在极易引起矿山突然垮塌，严重影响矿山人员和设备的安全［1］。为了提前探测出矿山地表下采空区存在情况，众多学者及技术研究人员利用各种技术方法进行了采空区的探测及形态推测工作，并为存在隐患的采空区提出合理的解决方法［2-4］。高密度电阻率法因其一次性布设电极、可收获丰富的断面结构信息、采集速度快等优点而被众多研究人员所喜爱，本文以某锑矿采空区探测为试验依据，进行高密度电阻率法探测采空区的研究，同时结合地质情况推测采空区空间形态，为类似矿山提供一定的技术参考。

1 矿山概况

1.1 矿山概况

某锑矿于1906年发现即被开采，开始为无序民采。自20世纪90年代成规模化的开采以来，采矿顺序由浅部向深部推进。目前该锑矿采用地下开采，开采矿种为锑矿、钨矿，采用平硐＋斜井开拓，主要采用削壁充填法、上向水平进路充填法和浅孔留矿嗣后充填法开采。矿山自上而下划分为＋325m中段、＋271m中段、＋218m中段、＋185m中段、＋158m中段、＋110m中段、＋65m中段等16个中段，另有深部的-385m、-430m水平正在进行坑探。＋325m中段以上位于当地侵蚀基准面以上，属于原民采区域，由于年代久远，开采信息不全，主要存在规模小、数量多、开采深度相对较浅、地表封堵人员无法进入、基本无图文资料等问题。

1.2 矿山地质特征

该锑矿矿床处于雪峰弧形构造带中段转弯处内缘，区内经历了雪峰、加里东、印支、燕山等构造运动。区内出露地层为板溪群五强溪组第二段的第二、第三和第四层，是一套由浅变质的碎屑岩、凝灰质岩组成的复理石建造。其中第二层（Ptbnw2-2）为凝灰质板岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩；第三层（Ptbnw2-3）为石英砂岩、长石石英砂岩、凝灰质板岩、凝灰质砂岩、杂砂岩、砂质板岩，是辉锑矿及白钨矿最主要的赋矿层位；第四层（Ptbnw2-4）为板岩、凝灰质板岩、凝灰岩。

1.3 矿山地球物理特征

矿区近地表的第四系粘土、粉质粘土，由于近期未降雨，整体干燥，表现为浅部中高电阻率特征；围岩表现为低电阻率特征，即石英砂岩、凝灰岩、凝灰质板岩、凝灰质砂岩、杂砂岩等碎屑岩和凝灰质岩类均呈低电阻率特征；钨锑矿化与硅化关系密切，致使其综合电阻率表现为中高阻特征；由于地形坡度大，岩层产状陡、岩石裂隙发育，因此浅部采空区基本无积水现象，由此采空区及塌陷区表现为高阻或特高电阻率特征。

2 高密度电阻率法

高密度电阻率法是采空区、岩溶、断裂构造调查中的有效方法之一［5］。高密度电阻率法测量系统通过电极向地下介质传送电流，根据两电极间的测量电位差，从而求得两电极间的视电阻率值，进而解决滑坡面、地下溶洞、采空区等浅部工程地质问题。

高密度电阻率法测量系统主要构成有主机、多路电极转换器和电极系统三大板块，在测量现场将电极布置在预先选定的测点处，然后主机向电极发出工作指令，电极采集到的测量电信号通过通讯设备传输至计算机进行储存，并分析计算得到各剖面电断面图像。

高密度电阻率测量系统布置图如图1所示。

图1 高密度电阻率测量系统布线示意图

仪器在进入测量状态后，按照一定的时间间隔将电极收集到的电阻率值传输至测量主机，然后保存至储存硬盘中。数据采集完毕后对数据进行预处理，即对存储的数据进行转换、拼接合并、排序、突变点剔除、滤波等的处理过程。最后对预处理后的数据进行最小二乘反演，并得到反演数据结果，并绘制视电阻率等值线断面图。高密度电法数据采集及处理流程如图2所示。

图2 高密度电法数据采集及处理流程图

3 采空区勘查

3.1 仪器设备

根据本次工作任务，投入物探技术人员5人；仪器设备为重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9超级高密度电阻率测量系统，该系统集全中文掌上电脑、蓝牙、24位A/D、大功率控制等较为先进的电子技术，仪器的主要技术指标及功能领先于当前国内外同类仪器。

3.2 测线布置

根据该锑矿的矿体产出形态、场地地形条件及高密度电阻物探方法技术特点，本次共布设高密度电阻测线5条，其中1线、2线、3线和5线地表剖面长度均为445m，使用电极90根，电极距均为5m；4线地表剖面长度295m，使用电极60根，电极距为5m。具体完成工作量见表1。

表1 某锑矿高密度电阻率法完成工作量

3.3 推断解译

高密度电阻率法推断解译，主要依据二维反演成果图并结合该区地质情况进行分析。各剖面解译具有较多的相似性，因此，本次分析以1线和5线两个典型的剖面作为主要的分析对象。

3.3.1 高密度电法1线

1线高密度电法反演结果如图3所示。地表1～5m范围内呈现串珠状中高阻异常特征，结合现场情况推测由近地表第四系粘土和粉质粘土引起；存在部分介质电阻率值总体介于300～1500Ω·m之间，推测由石英砂岩、凝灰岩、凝灰质板岩、凝灰质砂岩、杂砂岩等碎屑岩和凝灰质岩类等围岩引起；介质电阻率值在1500～3000Ω·m之间的中高阻异常推测由钨锑矿化和硅化综合反映；介质电阻率值在3000 Ω·m以上，推测由未积水的采空区或已塌陷的采空区引起，其中呈特高视电阻率异常特征的采空区基本是未充填采空区，视电阻率曲线梯度密集带即推测采空区边界，则1线共推断出5处采空区，如图4所示，分别命名为1-1、1-2、1-3、1-4和1-5，其中1-1、1-2和1-3推测为无积水未填充采空区；1-4和1-5推测为无积水已填充采空区。

图3 1线高密度电法视电阻率反演图

图4 1线高密度电法推断解译图

3.3.2 高密度电法5线

5线高密度电法反演结果如图5所示。地表1～8m范围内呈现串珠状中高阻异常特征，推测由近地表第四系粘土和粉质粘土引起；存在部分介质电阻率值总体介于300～1500Ω·m之间，推测由石英砂岩、凝灰岩、凝灰质板岩、凝灰质砂岩、杂砂岩等碎屑岩和凝灰质岩类等围岩引起；介质电阻率值在1500～3000Ω·m之间的中高阻异常推测由钨锑矿化和硅化综合反映；介质电阻率值在3000Ω·m以上，推测由未积水的采空区或已塌陷的采空区引起，其中呈特高视电阻率异常特征的采空区基本是未充填采空区，视电阻率曲线梯度密集带即推测采空区边界，则5线共推断出4处采空区，如图6所示，分别命名为5-1、5-2、5-3和5-4，其中5-1和5-4推测为无积水未填充采空区；5-2和5-3推测为无积水部分填充采空区。

图5 5线高密度电法视电阻率反演图

图6 5线高密度电法推断解译图

3.4 采空区空间形态

该矿区高密度电法剖面共推断16个异常，其中8个异常推测为无积水未填充采空区，另外8个推测为采空区无积水填充或部分填充采空区，视电阻率曲线梯度密集带即推测采空区边界。结合地形地质和水文地质资料，探测区地形坡度大，岩层产状陡、岩石裂隙发育，＋325m标高以上，很少积水，对未来深部坑道采矿无影响，与地球物理推断采空区异常电阻率特征反映一致。

为了将采空区平面形态具体化，根据各剖面推断的采空区异常点号位置，将其投影到平面图中，其平面异常按其对应测线起止点号长度为投影平面椭圆形的长轴，其短轴按其长轴的1/2估算，投影各异常平面面积总计9856m2。

由于探测区域内存在的采空区是以前民采所造成，因此采空区空间形态与存在的矿体形态相似。根据矿山的地质资料，白钨矿和辉锑矿体形态为豆荚或扁豆状，则本次试验空区空间形态可认为是椭圆体，按照剖面图可推测空区体积。各剖面异常体积估算详见表2，物探探测采空区体积估算约73382 m3，其中无积水未填充采空区体积约50121m3。

表2 高密度电法推断采空区投影面积及体积估算表

4 结论

1.根据高密度电阻率法反演及推断解译结果可以较好的反映该锑矿区的围岩、矿化带和采空区分布情况，视电阻率曲线梯度密集带即推测采空区边界。

2.该锑矿区各剖面采空区均以高阻或特高阻异常为特征，反映采空区不存在积水现象。结合地形地质和水文地质资料，探测区地形坡度大，岩层产状陡、裂隙发育，＋325 m标高以上很少积水，与地球物理推断采空区异常电阻率特征反映一致。

3.该锑矿区由剖面共推断出16个采空区异常，投影各异常平面面积总计9 856 m2，采空区体积估算约73 382 m3，其中无积水未填充采空区体积约50 121 m3。