高密度電法勘測技術在采空區探測中的應用*

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,國民經濟飛速發展帶動了采礦業蓬勃發展,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,形成的采空區一般不做處理。遺留的采空區因處理技術存在短板或不經濟等原因未及時進行處理,且部分民采采空區年代久遠未留存相關技術資料,導致部分礦山的采空區分布范圍、采空區規模及現賦存狀態不清[1]。遺留的采空區自身穩定性較差,受到外部自然擾動或采礦作業影響極易垮塌,不僅對地表建(構)筑物造成嚴重破壞,而且對采空區下部及周邊礦產資源開發造成潛在的長期威脅[2]。隨著近年來物探測量技術的發展,如先進的高密度電阻率法、礦山CT 層析成像、聲發射探測等技術涌現,可根據圍巖物理性質不同對采空區、斷層、礦巖軟弱結構面進行測量診斷,同時高密度電阻率法具有探測范圍廣、數據真實可靠等優點,在采空區探測中應用較多[3-4]。

某黃金礦山因早期民采區較多,遺留了較多采空區未進行處理,對深部資源開發造成了嚴重的生產安全隱患。根據采空區埋藏深度和現場條件,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、采空區電阻率,并對探測數據進行分析可得到不同電阻率區域分布規律,再結合生產實際分析采空區穩定性,對潛在危險采空區采取膠結充填等治理手段,基本可以杜絕采空區坍塌、地表沉陷等事故的發生,對生態環境的保護和井下的安全生產均具有良好的效益[6]。

1 工程概況

某金礦礦區及周邊分布有一定量的民采采空區,多為20世紀八九十年代開采導致,規模不一,現基本已植被覆蓋,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);現已開拓+48 m、+200 m、+150 m、+100 m 中段巷道,現開采礦體以6-1號礦體為主。

6-1 號礦體部分已開采為采空區,標高位于+326～+150 m,新開拓的部分中段采空區已充填完畢,但原民采區均采用淺孔留礦采礦法開采,部分采空區未進行充填處理,且采空區賦存的技術資料不全,穩定性不明,對該礦下部資源開采及地表穩定極具威脅,故采取高密度電阻率法對歷史遺留的采空區進行測量、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電法理論,工程現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律的測量觀測,來研究分析異常工程地質難題[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大地電阻率數據的自動快速采集,然后將測量數據導入數據反演處理軟件[9],對數據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

數據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的位置、范圍推斷整個礦區采空區、充填區內的采空及充填情況,保證探測數據解譯的真實性[10]?？睖y數據處理導入Res2dinv二維反演軟件后可以顯示為倒梯形圖像,根據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,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生垮落、斷裂、彎曲下沉等破壞,導致上覆巖層的連續性和承載能力遭到嚴重破壞[12-13]。采空區內部充填廢石、地下水、或處于敞空狀態,不同巖層因各向異性導致其電物理特性各不相同,故通過對地質體電阻率測量可以反映不同的礦巖、采空區界限以及采空區狀態[12]。

基于礦巖、采空區的地球物理特征,在采用高密度電阻率法對工作區內采空區進行測量時,能夠依據相關準則對采空區狀態進行判斷。采空區部分充填,遺留敞空體積較大,因空氣電阻率無窮大,所以表現為高電阻特征;如采空區充填較充分,充填體均一性較好,則其電阻較低。當采空區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,一般表現為低電阻特征。

根據采空區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資料,確定采空區埋深一般在+248～+50 m 之間,礦體走向北東向,因此,采空區走向也為北東方向。依據前期收集資料,在對現場進行初步調查的基礎上結合場地的條件,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進行剖面測量工作,測線方向基本垂直于采空區走向。為了詳細地查明采空區范圍,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,對礦山采空區充填工作進行驗證。

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是重慶儀器廠所生產的DUK-2A120道高密度電法測量系統。高密度電阻率法現場測量布置如圖2所示。

圖2 高密度電阻率法現場測量

在野外工作過程中,對個別單條測線進行了重復觀測,其采集到的原始數據偏差在規范允許的誤差范圍內,剖面圖反演結果吻合較好。視電阻率用來反映巖石和礦石導電性變化的參數,其與各種巖石的電阻率、巖石的分布狀態、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程》(DZ/T 0073—2016)要求。

3 數據分析及探測成果

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、充填區處。從圖3中可以看出,由于礦山開發形成的采空區、充填區,其電性層連續性較差,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,結合礦山開采資料,此高低阻異常變化梯度帶位于充填區與采空區接觸帶上。斷面范圍在點號210～360,AB/2范圍在+259～+149 m,斷面呈現中低阻區域,存在“U”字形中阻及低阻封閉圈異常,推斷為充填區域且是充填較好的中低阻反映。結合礦山開采資料,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。等值線形態及數值的差異反映了兩側巖性電性差異較大,推斷為采空區域。結合礦山開采資料,該高阻異常與+100 m 中段的采空區域相吻合。

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、充填區處。從圖4中可以看出,由于礦山開發形成的采空區、充填區,其電性層連續性較差,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,斷面呈現中低阻區域,存在“U”字形中阻及低阻封閉圈異常,推斷為充填區域且是充填較好的中低阻反映。結合礦山開采資料,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,結合礦山開采資料,此高低阻異常變化梯度帶位于充填區與采空區接觸帶上。視電阻率等值線隨深度增大逐漸增大,變化較平穩。等值線形態及數值的差異反映了兩側巖性電性差異較大,推斷為采空區域。結合礦山開采資料,該異常與+100 m 中段的采空區域相吻合。

4 結論

(1) 綜合PM1和PM2這兩條剖面的中低阻異常,結合6-1號礦體充填區域+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。根據高阻異常,結合礦山采空區域+100 m 中段及預留頂柱,可在平面上圈出1個采空異常區。

(2) 此次勘查結果表明,高密度電阻率法有較好的垂向探測效果,視電阻率異常形態規則,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、充填區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解釋,基本查明了勘查區在勘查深度范圍內的異常情況,推斷在勘查區范圍內發現的中低阻異常為充填區,高阻異常為采空區。并推測出了充填區、采空區的平面投影位置。