張忠政 閆 迪

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)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(guó)大型鐵礦石原料基地，分布有數(shù)十個(gè)大型—特大型鐵礦床，在該地區(qū)悠久的鐵礦資源開(kāi)采歷史中，由于其經(jīng)歷了日偽時(shí)期時(shí)的瘋狂掠奪式開(kāi)采，以及礦業(yè)整合前的無(wú)序開(kāi)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(jī)械性破壞方法（鉆探等），另一類為無(wú)損的地球物理探測(cè)技術(shù)方法，如常見(jiàn)的高密度電法［1］、瞬變電磁法［2］、地震映像法［3］等，盡管在實(shí)踐中取得了一定的效果，但主要屬于點(diǎn)—線式的二維以內(nèi)的探測(cè)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(cè)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(lái)，三維地球物理探測(cè)方法逐漸發(fā)展起來(lái)，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(lái)的，并基于有限差分法和圓滑約束最小二乘法進(jìn)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(guò)采用不均勻測(cè)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(kāi)展采空區(qū)探測(cè)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(cè)原理

三維高密度電法作為一種無(wú)傷探測(cè)技術(shù)，在地面通過(guò)測(cè)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(shí)現(xiàn)采空區(qū)的快速、高效精準(zhǔn)探測(cè)。與二維探測(cè)技術(shù)相比，三維高密度電法通過(guò)多方位同時(shí)測(cè)量，能夠有效減弱二維探測(cè)中存在的旁側(cè)效應(yīng)和異常擴(kuò)展效應(yīng)。

三維高密度電法探測(cè)技術(shù)在直流電阻率法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，屬于一種陣列勘探方法，其裝置類型很多，野外工作時(shí)可根據(jù)測(cè)量范圍和測(cè)量深度選擇電極數(shù)量和確定極距。對(duì)于露天鐵礦因其作業(yè)場(chǎng)所及地質(zhì)條件復(fù)雜，探測(cè)時(shí)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(duì)于垂直電阻率變化異常具有較強(qiáng)的分辨率和抗干擾能力，信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)，適合在地電干擾強(qiáng)烈的情況下進(jìn)行應(yīng)用。本次進(jìn)行采空區(qū)高密度探測(cè)時(shí)裝置類型采用溫納裝置，2個(gè)供電電極A、B和兩個(gè)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，野外測(cè)量時(shí)將全部電極置于測(cè)點(diǎn)上，采用“S”形陣列式布極方式，利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)三維觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，能夠同時(shí)獲得多方位的地電斷面信息，降低旁側(cè)效應(yīng)和異常擴(kuò)展效應(yīng)，通過(guò)觀察人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的傳導(dǎo)分布規(guī)律來(lái)進(jìn)行探測(cè)分析，獲取對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)處理方法

三維高密度電法探測(cè)數(shù)據(jù)處理步驟：①對(duì)于采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和預(yù)處理；②剔除壞點(diǎn)，手動(dòng)進(jìn)行編輯、平滑處理，剔除因電極接地不良或現(xiàn)場(chǎng)存在其他干擾因素影響出現(xiàn)的數(shù)據(jù)突變點(diǎn)，消除數(shù)據(jù)采集過(guò)程中受到的隨機(jī)噪聲影響；③進(jìn)行地形校正并設(shè)置參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行對(duì)比校正，在誤差允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別。

3 采空區(qū)探測(cè)實(shí)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(shí)代侵入的巖漿巖及大規(guī)模混合巖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(tái)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(kāi)發(fā)利用歷史悠久，長(zhǎng)期以來(lái)因劫富式及無(wú)序等開(kāi)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(dòng)持續(xù)擾動(dòng)下部分易引發(fā)地面沉降、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)部分被水充填的采空區(qū)，還可能會(huì)引發(fā)突水事故。

研究區(qū)鐵礦體分布密集、規(guī)模大、儲(chǔ)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(guò)對(duì)該地區(qū)的巖礦石進(jìn)行電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)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(cè)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(shì)［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(cè)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(duì)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(cè)

選擇露天鐵礦采場(chǎng)內(nèi)跨經(jīng)作業(yè)平臺(tái)內(nèi)的一處沉降變形區(qū)為探測(cè)區(qū)，測(cè)線布置受到采礦活動(dòng)、地形地質(zhì)等條件限制，由西向東共布設(shè)了5條測(cè)線，探測(cè)區(qū)域尺寸為165 m×20 m（長(zhǎng)×寬），電極數(shù)280個(gè)，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(cè)剖面，最大探測(cè)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(gè)。

3.4 探測(cè)數(shù)據(jù)處理與解譯

將上述獲得的有效數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(guò)程中的記錄信息，沿測(cè)線方向有富鐵礦體出露，并通過(guò)露頭小四極法測(cè)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(duì)應(yīng)。根據(jù)場(chǎng)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(duì)應(yīng)。在沿測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)識(shí)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(cè)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(gè)視電阻率為1 210～980Ω·m的過(guò)渡帶，該過(guò)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(cè)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(cè)成果分析

對(duì)于探測(cè)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(jìn)行鉆探驗(yàn)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(shí)別出的電阻率異常區(qū)進(jìn)行對(duì)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(yàn)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(cè)。

值得一提的是，常規(guī)二維高密度電阻率法探測(cè)技術(shù)盡管能夠識(shí)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(cè)技術(shù)通過(guò)一次全部布極實(shí)現(xiàn)多方位同時(shí)測(cè)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(cè)存在的不足，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的精準(zhǔn)探測(cè)。

4 結(jié)論

（1）三維高密度電阻率法通過(guò)一次性全部布極、多方位同時(shí)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)探測(cè)，并可與鉆探技術(shù)相結(jié)合，有助于提高采空區(qū)探測(cè)識(shí)別的有效性和精確性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(shí)別出了一處空氣充填型采空區(qū)，與鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比確定該采空區(qū)賦存標(biāo)高為-31～-50 m，探測(cè)精度可達(dá)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(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，可為礦山進(jìn)行采空區(qū)治理提供數(shù)據(jù)支撐。