高密度電法勘測技術在采空區(qū)探測中的應用*

史玉林

(煙臺金曼投資有限公司,山東 棲霞市 265300)

0 引言

長期以來,國民經(jīng)濟飛速發(fā)展帶動了采礦業(yè)蓬勃發(fā)展,相當一部分貴金屬薄礦體礦床采用空場采礦法開采,開采時將礦塊劃分為礦房和礦柱兩步回采,先開采礦房后回采礦柱,形成的采空區(qū)一般不做處理。遺留的采空區(qū)因處理技術存在短板或不經(jīng)濟等原因未及時進行處理,且部分民采采空區(qū)年代久遠未留存相關技術資料,導致部分礦山的采空區(qū)分布范圍、采空區(qū)規(guī)模及現(xiàn)賦存狀態(tài)不清[1]。遺留的采空區(qū)自身穩(wěn)定性較差,受到外部自然擾動或采礦作業(yè)影響極易垮塌,不僅對地表建(構)筑物造成嚴重破壞,而且對采空區(qū)下部及周邊礦產(chǎn)資源開發(fā)造成潛在的長期威脅[2]。隨著近年來物探測量技術的發(fā)展,如先進的高密度電阻率法、礦山CT 層析成像、聲發(fā)射探測等技術涌現(xiàn),可根據(jù)圍巖物理性質(zhì)不同對采空區(qū)、斷層、礦巖軟弱結(jié)構面進行測量診斷,同時高密度電阻率法具有探測范圍廣、數(shù)據(jù)真實可靠等優(yōu)點,在采空區(qū)探測中應用較多[3-4]。

某黃金礦山因早期民采區(qū)較多,遺留了較多采空區(qū)未進行處理,對深部資源開發(fā)造成了嚴重的生產(chǎn)安全隱患。根據(jù)采空區(qū)埋藏深度和現(xiàn)場條件,決定采用勘查效果較好的高密度電阻率法進行勘查[5]。通過測量圍巖、采空區(qū)電阻率,并對探測數(shù)據(jù)進行分析可得到不同電阻率區(qū)域分布規(guī)律,再結(jié)合生產(chǎn)實際分析采空區(qū)穩(wěn)定性,對潛在危險采空區(qū)采取膠結(jié)充填等治理手段,基本可以杜絕采空區(qū)坍塌、地表沉陷等事故的發(fā)生,對生態(tài)環(huán)境的保護和井下的安全生產(chǎn)均具有良好的效益[6]。

1 工程概況

某金礦礦區(qū)及周邊分布有一定量的民采采空區(qū),多為20世紀八九十年代開采導致,規(guī)模不一,現(xiàn)基本已植被覆蓋,個別位于礦體淺層的頂部,其采空回填率在85%以上。為充分利用深部礦產(chǎn)資源,礦山于2015年進行基建,采用豎井開拓,設計中段高度為50 m,下設7個中段(+248～-50 m);現(xiàn)已開拓+48 m、+200 m、+150 m、+100 m 中段巷道,現(xiàn)開采礦體以6-1號礦體為主。

6-1 號礦體部分已開采為采空區(qū),標高位于+326～+150 m,新開拓的部分中段采空區(qū)已充填完畢,但原民采區(qū)均采用淺孔留礦采礦法開采,部分采空區(qū)未進行充填處理,且采空區(qū)賦存的技術資料不全,穩(wěn)定性不明,對該礦下部資源開采及地表穩(wěn)定極具威脅,故采取高密度電阻率法對歷史遺留的采空區(qū)進行測量、摸查。

2 高密度電法測量原理及工程布置

2.1 高密度電法原理

高密度電阻率法是基于傳統(tǒng)電法理論,工程現(xiàn)場一次布設電極就可以對大量信號進行采集,具有工作效率高等優(yōu)點[7]。同時以礦、巖、土的電性差異為基礎,通過對地下靜電場分布規(guī)律的測量觀測,來研究分析異常工程地質(zhì)難題[8]。野外電阻率測量時通過GPS-RTK 點位將電極放樣,通過程控電極開關和測量儀器配合實現(xiàn)大地電阻率數(shù)據(jù)的自動快速采集,然后將測量數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)反演處理軟件[9],對數(shù)據(jù)進行處理后并繪制出高密度電阻率剖面圖。高密度電法工作原理如圖1所示。

圖1 高密度電法原理

數(shù)據(jù)解譯遵循由已知推斷未知的原則,即:由已知的礦井下采空區(qū)的位置、范圍推斷整個礦區(qū)采空區(qū)、充填區(qū)內(nèi)的采空及充填情況,保證探測數(shù)據(jù)解譯的真實性[10]?？睖y數(shù)據(jù)處理導入Res2dinv二維反演軟件后可以顯示為倒梯形圖像,根據(jù)高密度電阻率剖面圖可以直觀地表述地層礦巖在縱深向、水平橫向靜電場中電阻率的變化,不同阻值范圍對應著礦巖異常地質(zhì)體變化[11]?？睖y裝置在工作時給供電電極AB端通電,測得電流I,同時測量接收電極MN 之間的電壓U,電阻率可通過下式計算。

式中,ρ為電阻率,Ω·m;U為接收電極之間的電壓,V;K為探測裝置系數(shù),與AM、AN、BM、BN 點電極之間的距離有關,m;I為供電電極通過電流,A。

2.2 采空區(qū)物理特征

因采用空場采礦法或采用其他采礦方法開采形成的采空區(qū)未及時處理,若對工程實體周邊圍巖原有應力擾動,礦體頂板因采礦而發(fā)生垮落、斷裂、彎曲下沉等破壞,導致上覆巖層的連續(xù)性和承載能力遭到嚴重破壞[12-13]。采空區(qū)內(nèi)部充填廢石、地下水、或處于敞空狀態(tài),不同巖層因各向異性導致其電物理特性各不相同,故通過對地質(zhì)體電阻率測量可以反映不同的礦巖、采空區(qū)界限以及采空區(qū)狀態(tài)[12]。

基于礦巖、采空區(qū)的地球物理特征,在采用高密度電阻率法對工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)進行測量時,能夠依據(jù)相關準則對采空區(qū)狀態(tài)進行判斷。采空區(qū)部分充填,遺留敞空體積較大,因空氣電阻率無窮大,所以表現(xiàn)為高電阻特征;如采空區(qū)充填較充分,充填體均一性較好,則其電阻較低。當采空區(qū)因地下水原因而充水時,礦山地下水金屬離子較多,為良性導體,一般表現(xiàn)為低電阻特征。

根據(jù)采空區(qū)邊界礦巖電物理特性突變特征,高密度電阻率法可以對采空區(qū)邊界、分布范圍、充填情況、充水情況及其頂板圍巖的垮落破壞形態(tài)進行判斷[14]。

2.3 探測工程布置

通過分析礦山井下及周邊地質(zhì)資料,確定采空區(qū)埋深一般在+248～+50 m 之間,礦體走向北東向,因此,采空區(qū)走向也為北東方向。依據(jù)前期收集資料,在對現(xiàn)場進行初步調(diào)查的基礎上結(jié)合場地的條件,確定垂直于礦體走向沿著SE165°方向布設勘探線。采用點距為5 m 的高密度電法溫納裝置對勘查區(qū)進行剖面測量工作,測線方向基本垂直于采空區(qū)走向。為了詳細地查明采空區(qū)范圍,在6號帶布置2條剖面(PM1、PM2)加以控制,圈定地電異常分布區(qū),對礦山采空區(qū)充填工作進行驗證。

本次物探工作完成主要實物工作量:高密度電阻率法剖面2條,共計240個物理點。使用的高密度電阻率測量系統(tǒng)是重慶儀器廠所生產(chǎn)的DUK-2A120道高密度電法測量系統(tǒng)。高密度電阻率法現(xiàn)場測量布置如圖2所示。

圖2 高密度電阻率法現(xiàn)場測量

在野外工作過程中,對個別單條測線進行了重復觀測,其采集到的原始數(shù)據(jù)偏差在規(guī)范允許的誤差范圍內(nèi),剖面圖反演結(jié)果吻合較好。視電阻率用來反映巖石和礦石導電性變化的參數(shù),其與各種巖石的電阻率、巖石的分布狀態(tài)、電極排列等情況有關。本次工作視電阻率均方誤差Mρa=±1.42%,符合《電阻率剖面法技術規(guī)程》(DZ/T 0073—2016)要求。

3 數(shù)據(jù)分析及探測成果

3.1 6-1號帶的PM1剖面成果

PM1高密度電阻率剖面(見圖3)垂直于礦體6-1呈南東向布置,點號210～390位于已知采空區(qū)、充填區(qū)處。從圖3中可以看出,由于礦山開發(fā)形成的采空區(qū)、充填區(qū),其電性層連續(xù)性較差,橫向和縱向上高低阻變化均比較明顯。特別是在360點附近縱向上存在明顯高低阻異常變化梯度帶,結(jié)合礦山開采資料,此高低阻異常變化梯度帶位于充填區(qū)與采空區(qū)接觸帶上。斷面范圍在點號210～360,AB/2范圍在+259～+149 m,斷面呈現(xiàn)中低阻區(qū)域,存在“U”字形中阻及低阻封閉圈異常,推斷為充填區(qū)域且是充填較好的中低阻反映。結(jié)合礦山開采資料,該中 低阻異常與+248 m 中段、+200 m 中段、+150 m 中段的充填區(qū)域相吻合。

圖3 PM1高密度電阻率剖面

斷面范圍在點號360～400,視電阻率呈現(xiàn)出高阻異常,整體視電阻率等值線隨深度增大逐漸增大,變化較平穩(wěn)。等值線形態(tài)及數(shù)值的差異反映了兩側(cè)巖性電性差異較大,推斷為采空區(qū)域。結(jié)合礦山開采資料,該高阻異常與+100 m 中段的采空區(qū)域相吻合。

3.2 6-1號帶的PM2剖面成果

PM2高密度電阻率剖面(見圖4)垂直于礦體6-1呈南東向布置,點號220～380位于已知采空區(qū)、充填區(qū)處。從圖4中可以看出,由于礦山開發(fā)形成的采空區(qū)、充填區(qū),其電性層連續(xù)性較差,橫向和縱向上高低阻變化均比較明顯。斷面范圍在點號210～400,AB/2范圍在+250～+140 m,斷面呈現(xiàn)中低阻區(qū)域,存在“U”字形中阻及低阻封閉圈異常,推斷為充填區(qū)域且是充填較好的中低阻反映。結(jié)合礦山開采資料,該中低阻異常與+248 m 中 段、+200 m 中段、+150 m 中段的充填區(qū)域相吻合。

圖4 PM2高密度電阻率剖面

斷面在點號400附近,縱向上存在明顯高低阻異常變化梯度帶,結(jié)合礦山開采資料,此高低阻異常變化梯度帶位于充填區(qū)與采空區(qū)接觸帶上。視電阻率等值線隨深度增大逐漸增大,變化較平穩(wěn)。等值線形態(tài)及數(shù)值的差異反映了兩側(cè)巖性電性差異較大,推斷為采空區(qū)域。結(jié)合礦山開采資料,該異常與+100 m 中段的采空區(qū)域相吻合。

4 結(jié)論

(1) 綜合PM1和PM2這兩條剖面的中低阻異常,結(jié)合6-1號礦體充填區(qū)域+248 m 中段、+200 m 中段、+150 m 中段及預留頂柱,可圈出3個采空充填異常區(qū)。根據(jù)高阻異常,結(jié)合礦山采空區(qū)域+100 m 中段及預留頂柱,可在平面上圈出1個采空異常區(qū)。

(2) 此次勘查結(jié)果表明,高密度電阻率法有較好的垂向探測效果,視電阻率異常形態(tài)規(guī)則,高低阻帶狀特征明顯異常位置符合實際情況,較好地反映出了礦山采空區(qū)、充填區(qū)及正常巖石的完整程度。

(3) 通過對物探資料進行整理成圖和地質(zhì)解釋,基本查明了勘查區(qū)在勘查深度范圍內(nèi)的異常情況,推斷在勘查區(qū)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的中低阻異常為充填區(qū),高阻異常為采空區(qū)。并推測出了充填區(qū)、采空區(qū)的平面投影位置。