基于三維高密度電法的露天鐵礦充氣型采空區(qū)探測*

張忠政 閆 迪

（1.鞍鋼集團礦業(yè)弓長嶺有限公司露采分公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

鞍本地區(qū)作為我國大型鐵礦石原料基地，分布有數(shù)十個大型—特大型鐵礦床，在該地區(qū)悠久的鐵礦資源開采歷史中，由于其經(jīng)歷了日偽時期時的瘋狂掠奪式開采，以及礦業(yè)整合前的無序開采，導(dǎo)致在該地區(qū)鐵礦地下一定深度空間內(nèi)遺留了大量的不明采空區(qū)。目前，前人關(guān)于采空區(qū)的調(diào)查研究方法主要有兩類，一類為機械性破壞方法（鉆探等），另一類為無損的地球物理探測技術(shù)方法，如常見的高密度電法［1］、瞬變電磁法［2］、地震映像法［3］等，盡管在實踐中取得了一定的效果，但主要屬于點—線式的二維以內(nèi)的探測技術(shù)，只能獲取沿剖面方向上的地質(zhì)-地球物理信息，且觀測數(shù)據(jù)易受體積效應(yīng)影響，不能完全展現(xiàn)地下空間的結(jié)構(gòu)特征。近年來，三維地球物理探測方法逐漸發(fā)展起來，并以其中的三維高密度電法發(fā)展較為成熟。三維高密度電法是在二維高密度電法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并基于有限差分法和圓滑約束最小二乘法進行正反演處理［4］，可以準(zhǔn)確反映地質(zhì)體的三維空間分布特征［5］，并可在溫納裝置下通過采用不均勻測網(wǎng)方式提高反演效果及精度［6］。本研究以鞍本地區(qū)一大型露天鐵礦為例，采用三維高密度電阻率法開展采空區(qū)探測研究，以準(zhǔn)確查明采空區(qū)的三維空間位置、埋深和形態(tài)規(guī)模。

1 采空區(qū)三維高密度電法探測原理

三維高密度電法作為一種無傷探測技術(shù)，在地面通過測定目標(biāo)地質(zhì)體與圍巖間的視電阻率差異及分布變化情況揭示地下地質(zhì)體的分布特征，實現(xiàn)采空區(qū)的快速、高效精準(zhǔn)探測。與二維探測技術(shù)相比，三維高密度電法通過多方位同時測量，能夠有效減弱二維探測中存在的旁側(cè)效應(yīng)和異常擴展效應(yīng)。

三維高密度電法探測技術(shù)在直流電阻率法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，屬于一種陣列勘探方法，其裝置類型很多，野外工作時可根據(jù)測量范圍和測量深度選擇電極數(shù)量和確定極距。對于露天鐵礦因其作業(yè)場所及地質(zhì)條件復(fù)雜，探測時其影響和干擾因素較多，在常用的幾種裝置類型中，溫納裝置對于垂直電阻率變化異常具有較強的分辨率和抗干擾能力，信號強度最強，適合在地電干擾強烈的情況下進行應(yīng)用。本次進行采空區(qū)高密度探測時裝置類型采用溫納裝置，2個供電電極A、B和兩個測量電極M、N位于同一直線上。

數(shù)據(jù)采集使用DUK-4高密度電阻率測量系統(tǒng)，野外測量時將全部電極置于測點上，采用“S”形陣列式布極方式，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀，實現(xiàn)三維觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，能夠同時獲得多方位的地電斷面信息，降低旁側(cè)效應(yīng)和異常擴展效應(yīng)，通過觀察人工建立的地下穩(wěn)定電流場的傳導(dǎo)分布規(guī)律來進行探測分析，獲取對應(yīng)地區(qū)的地質(zhì)信息。

2 采空區(qū)三維高密度電法探測數(shù)據(jù)處理方法

三維高密度電法探測數(shù)據(jù)處理步驟：①對于采集的原始數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理；②剔除壞點，手動進行編輯、平滑處理，剔除因電極接地不良或現(xiàn)場存在其他干擾因素影響出現(xiàn)的數(shù)據(jù)突變點，消除數(shù)據(jù)采集過程中受到的隨機噪聲影響；③進行地形校正并設(shè)置參數(shù)進行反演迭代，生成視電阻率斷面圖；④將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后進行三維可視化成像處理，構(gòu)建采空區(qū)三維地質(zhì)模型，并與鉆孔及地質(zhì)資料進行對比校正，在誤差允許范圍內(nèi)實現(xiàn)對采空區(qū)的精準(zhǔn)識別。

3 采空區(qū)探測實例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鞍本地區(qū)一處大型深凹型露天鐵礦，該區(qū)域成礦地質(zhì)條件復(fù)雜，有不同時代侵入的巖漿巖及大規(guī)?；旌蠋r化作用而形成的太古宙花崗巖和許多大小不等的酸—中—基性的巖脈分布。太古宙鞍山群是賦存條帶狀沉積變質(zhì)型鐵礦的地層，也是該區(qū)出露的主要地層之一，其次為震旦系釣魚臺組石英巖、南芬組泥灰?guī)r、灰?guī)r及第四系沉積層。區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育不顯著，發(fā)育斷裂構(gòu)造，主要為走向和橫向兩類斷層。該地區(qū)鐵礦資源的開發(fā)利用歷史悠久，長期以來因劫富式及無序等開采行為造成地下礦權(quán)內(nèi)存在大量不明空區(qū)，在采礦活動持續(xù)擾動下部分易引發(fā)地面沉降、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對部分被水充填的采空區(qū)，還可能會引發(fā)突水事故。

研究區(qū)鐵礦體分布密集、規(guī)模大、儲量豐富，礦區(qū)中混合花崗巖廣泛分布于礦體周圍，鐵礦體及兩側(cè)的圍巖呈殘留狀產(chǎn)于混合巖化巖體中，沿NW走向、NE傾向分布［7］。礦石主要為磁鐵礦和赤鐵礦，塊狀構(gòu)造；礦體周圍有不同程度的圍巖蝕變，蝕變巖石呈片狀構(gòu)造，主要組成礦物有綠泥石、石榴石、閃石、云母類及硫化物等。本研究通過對該地區(qū)的巖礦石進行電性參數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)礦石平均電阻率為400～2 000Ω·m，圍巖電阻率為2 262～11 014Ω·m。

3.2 探測采空區(qū)類型及地質(zhì)-地球物理特征

采空區(qū)根據(jù)其內(nèi)部充填介質(zhì)的不同可以分為：①空氣充填型采空區(qū)，由于其內(nèi)部充填介質(zhì)為極低密度的絕緣空氣，其電阻率往往明顯高于周圍圍巖，具體表現(xiàn)為一種高電阻率圈閉的空間地球物理特征，電阻率值從核心到邊界呈逐漸減小趨勢［7］；②水充填型采空區(qū)，由于充填介質(zhì)為裂隙水或滲透水，富含多種礦物質(zhì)使其電阻率往往明顯低于周圍圍巖介質(zhì)。

本次探測區(qū)內(nèi)的采空區(qū)處在潛水面以上，其內(nèi)以充填空區(qū)為主，屬于空氣充填型采空區(qū)，對外表現(xiàn)出明顯的高電阻率特征，具備采用三維高密度電法的基礎(chǔ)條件。

3.3 采空區(qū)三維高密度電法探測

選擇露天鐵礦采場內(nèi)跨經(jīng)作業(yè)平臺內(nèi)的一處沉降變形區(qū)為探測區(qū)，測線布置受到采礦活動、地形地質(zhì)等條件限制，由西向東共布設(shè)了5條測線，探測區(qū)域尺寸為165 m×20 m（長×寬），電極數(shù)280個，極距3.0 m，線距5 m。野外布線方式為“S”形（圖1），數(shù)據(jù)采集裝置為溫納裝置，共完成5條探測剖面，最大探測深度約54 m，采集處理后在三維空間共獲得有效數(shù)據(jù)2 475個。

3.4 探測數(shù)據(jù)處理與解譯

將上述獲得的有效數(shù)據(jù)進行基于圓滑約束的最小二乘法反演，并將反演結(jié)果導(dǎo)入三維可視化軟件中進行成像處理，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：視電阻率為367～2 440Ω·m，整體上電阻率分布呈現(xiàn)由中間到兩側(cè)、由淺到深逐漸變大的特征。根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集過程中的記錄信息，沿測線方向有富鐵礦體出露，并通過露頭小四極法測得出露的鐵礦石電阻率平均為992Ω·m，與圖中平距48～120 m、埋深約0～50 m出現(xiàn)的部分相對應(yīng)。根據(jù)場區(qū)巖性的電性特征，礦體兩側(cè)出現(xiàn)的高阻區(qū)為礦體圍巖；由于礦區(qū)淺層地表巖石破碎導(dǎo)致近地表電阻率值明顯偏高，表現(xiàn)特征與圖中相對應(yīng)。在沿測線方向62～78 m、深度29～50 m區(qū)域出現(xiàn)了局部高阻區(qū)，該區(qū)特征與兩側(cè)高阻區(qū)特征不同，并位于富礦體內(nèi)，其異常區(qū)視電阻率值表現(xiàn)為由中心到邊界逐漸變小，邊界特征明顯，可以推測此處為空氣充填型采空區(qū)引起的局部高電阻率異常。

三維高密度電阻率法能夠展示巖礦體的三維空間結(jié)構(gòu)特征，不同電性界面可以清晰連續(xù)顯示。采空區(qū)三維高密度探測電阻率等值面如圖3所示。在三維空間模型圖上選取了視電阻率值分別為1 210，1 095，980Ω·m的3條等值面圖，模型中間區(qū)域電阻率值均小于980Ω·m，與鐵礦石表現(xiàn)特征一致，推測為鐵礦體；在模型兩側(cè)存在電阻率值高于1 210Ω·m的區(qū)域，與該地區(qū)的圍巖特征類似，推測為圍巖。

在圍巖與鐵礦體的下部邊界處，存在一處高阻異常區(qū)，該異常區(qū)電阻率值從中間向周圍逐漸減小，呈現(xiàn)連續(xù)的閉合圈狀特征，與空氣充填型采空區(qū)引起的異常變化特征一致，也是本次探測識別到的一處空氣充填型采空區(qū)。從模型圖上可以看到空區(qū)在不同埋深的分布變化情況，在垂直于測線方向呈現(xiàn)出中間窄兩邊寬的特征。除此以外，在沿圍巖與鐵礦體之間存在一個視電阻率為1 210～980Ω·m的過渡帶，該過渡帶上部與地面不均勻沉降區(qū)相連接，下部延伸至采空區(qū)，據(jù)此可推測地表不均勻沉降的產(chǎn)生是由于采空區(qū)引發(fā)的頂板失穩(wěn)變形所致。

3.5 探測成果分析

對于探測結(jié)果中出現(xiàn)的異常區(qū)，其平面位置和地表沉降變形區(qū)域相臨近，在其上部地表布設(shè)了鉆孔進行鉆探驗證。鉆探結(jié)果顯示：在采空區(qū)異常位置埋深31 m處發(fā)現(xiàn)一處采空區(qū)，為空氣充填型采空區(qū)，與研究識別出的電阻率異常區(qū)進行對比結(jié)果較為一致（圖4），三維高密度電法相比鉆探結(jié)果存在的最大誤差在3 m以內(nèi)。鉆探驗證結(jié)果表明：三維高密度電阻率法能夠應(yīng)用于露天鐵礦等復(fù)雜地質(zhì)條件下的不明采空區(qū)探測。

值得一提的是，常規(guī)二維高密度電阻率法探測技術(shù)盡管能夠識別出地下采空區(qū)，但僅能反映采空區(qū)在單一剖面方向的展布特征，并且解譯效果和精度受到剖面間距等因素影響。三維高密度電法探測技術(shù)通過一次全部布極實現(xiàn)多方位同時測量，建立采空區(qū)地下空間三維模型圖，可清晰地反映地下介質(zhì)空間的分布情況和邊界特征，有效避免了二維探測存在的不足，實現(xiàn)了采空區(qū)的精準(zhǔn)探測。

4 結(jié)論

（1）三維高密度電阻率法通過一次性全部布極、多方位同時測量方式實現(xiàn)探測，并可與鉆探技術(shù)相結(jié)合，有助于提高采空區(qū)探測識別的有效性和精確性，同時實現(xiàn)經(jīng)濟效益和工作效率的最優(yōu)化。

（2）以鞍本地區(qū)一大型露天鐵礦為例，應(yīng)用三維高密度電法在礦區(qū)鐵礦體下部識別出了一處空氣充填型采空區(qū)，與鉆孔數(shù)據(jù)進行對比確定該采空區(qū)賦存標(biāo)高為-31～-50 m，探測精度可達到3 m以內(nèi)。

（3）三維高密度電法能夠?qū)?fù)雜地質(zhì)條件下的地下采空區(qū)進行精準(zhǔn)識別，可為礦山進行采空區(qū)治理提供數(shù)據(jù)支撐。