綜合物探技術(shù)在老空區(qū)水害防治中的應(yīng)用

1、精品好資料學(xué)習(xí)推薦綜合物探技術(shù)在老空區(qū)水害防治中的應(yīng)用劉勇鋒1,2，馬海濤1，付士根1（1.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100029）（2.北京科技大學(xué)，北京 100083）摘要：老空區(qū)水害是影響我國(guó)礦山安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，通過應(yīng)用綜合物探技術(shù)查清老空區(qū)的開采規(guī)模、開采位置、空間形態(tài)及冒落、積水等情況，結(jié)合鉆探揭露的空區(qū)和礦體賦存情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明高密度電阻率法和瞬變電磁法對(duì)采空區(qū)的探測(cè)具有較好的探測(cè)效果，能有效地對(duì)采空區(qū)的含水性進(jìn)行探測(cè)與評(píng)價(jià)，防止重大突水事故的發(fā)生，為后期進(jìn)行的開拓工程提供可靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；瞬變電磁法；采空區(qū)；水害the effectivenes

2、s of comprehensive geophysical methods to control goaf water disasterLIU Yong-feng1,2，MAHai-tao1，F(xiàn)UShi-gen1（1.China Academy of Safety Science & Technology，Beijing 100029）（2.University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083）Abstract：Goaf water disaster is one of the major disaster that affect

3、s the safe production of mines.Through the application of comprehensive geophysical methods to identify the scale, mining location, spatial form and falling, water, etc. of the goaf, with drilling to expose the empty area and verify the ore body to compare the situation,indicating that the high dens

4、ity resistivity and transient electromagnetic method of detection of goaf have good detection effect, can effectively aquosity of goaf of the detection and evaluation to prevent the occurrence of major water inrush for the late pioneering project to provide a reliable basis.Key words：high density re

5、sistivity technique；transient electromagnetic method；goaf；water disaster中圖分類號(hào)：X936文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A7 / 71. 引言西石門鐵礦礦區(qū)由于采礦歷史較長(zhǎng)，礦區(qū)長(zhǎng)期遭受周圍民采礦井的非法盜采。民采礦井掠奪式的無規(guī)劃、無設(shè)計(jì)私采濫挖，遺留下了大量不明采空區(qū)。這些采空區(qū)形成之后，在有水源補(bǔ)給的情況下，長(zhǎng)年累月逐漸匯集，使采空區(qū)大量積水，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)形成了嚴(yán)重威脅。由于這些民采采空區(qū)開采很不規(guī)范，越層越界現(xiàn)象嚴(yán)重，分布無規(guī)律，地表無痕跡，積水范圍、積水量無據(jù)可查，給礦山防治水工作帶來了極大的困難。為了保證礦區(qū)安全生產(chǎn)和人民

6、群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全，采用綜合物探法對(duì)西石門鐵礦老空水進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)一步查清民采空區(qū)的開采規(guī)模、開采位置、空間形態(tài)及冒落、積水等情況，對(duì)有效防止老空區(qū)水害發(fā)生，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1。2. 礦區(qū)地球物理特征測(cè)區(qū)鐵礦為矽卡巖型磁鐵礦床，礦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)高阻的巖石主要為灰?guī)r及閃長(zhǎng)巖。閃長(zhǎng)巖是大面積分布的，厚度較大。電法剖面中的高阻區(qū)域若是灰?guī)r引起的，則高阻區(qū)域是大面積分布的、連續(xù)的，高阻區(qū)內(nèi)不會(huì)形成相對(duì)高阻“團(tuán)塊”或“孤島”；閃長(zhǎng)巖分布面積也較大，地形復(fù)雜，其形態(tài)是連續(xù)延伸的，電法剖面中的高阻區(qū)域若是由閃長(zhǎng)巖引起的，則高阻區(qū)域應(yīng)是連續(xù)的、相對(duì)均一的或形成較長(zhǎng)距離延伸的“條帶”。由于測(cè)區(qū)鐵礦為矽卡巖型磁鐵礦

7、床，磁鐵礦礦體呈現(xiàn)低阻特征，當(dāng)鐵礦體被采空后，短期內(nèi)未充水時(shí)形成了一定空間的充氣空間，造成采空區(qū)相應(yīng)的地層電性與圍巖的電性不同，呈高阻特征。當(dāng)采空區(qū)上方巖層在重力的作用下發(fā)生塌陷變形，致使巖層破碎并出現(xiàn)裂縫連通了地面水系或地下含水層，地下水便沿著破碎巖層和裂縫向采空區(qū)匯集并溶解大量的電解質(zhì)，在水解作用下，巖層中的鈣、鐵離子等呈現(xiàn)游離狀態(tài)存在，因此充水采空區(qū)具有低阻高極化率的電性特征；由于跨落、斷裂及離層現(xiàn)象的存在，圍巖具有高電阻率、低極率的特征，因此當(dāng)采空區(qū)或斷裂帶不充水時(shí)，呈現(xiàn)高阻特征，而采空區(qū)或斷裂帶充水時(shí)呈現(xiàn)低阻特征。所以該區(qū)存在利用瞬變電磁法和高密度電阻率法探測(cè)采空區(qū)水害情況的地球物理

8、前提2。根現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)的巖層電性測(cè)試實(shí)驗(yàn)與鉆孔剖面資料對(duì)照可知：表1 礦區(qū)地球物理參數(shù)地層（巖石）電阻率（cm）上部第四系1020奧陶系灰?guī)r7002000閃長(zhǎng)巖5003000磁鐵礦0.110矽卡巖8005000礦井水1103. 采空區(qū)探測(cè)方法與技術(shù)3.1 瞬變電磁法（1）工作原理瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱為TEM）屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。該方法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為主要物理基礎(chǔ)。其探測(cè)原理是在發(fā)射回線上給一個(gè)電流脈沖方波，一般利用方波后沿下降的瞬時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次磁場(chǎng)。在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其強(qiáng)度大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度。在一次場(chǎng)消失后該渦流不能立即消失，它將有一個(gè)過渡

9、（衰減）過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向地表傳播。由地表的接收回線來接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V（t）就得到了二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線，用發(fā)射電流歸一化后成為V（t）/I特性曲線（圖1）。圖1 瞬變電磁法探測(cè)示意圖（2）測(cè)線布置分兩個(gè)勘查區(qū)，即南采區(qū)和北采區(qū)。根據(jù)探測(cè)目的，測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)勘探深度大于600m。瞬變電磁共布設(shè)311.73方向剖面38條，單剖面長(zhǎng)300700m；剖面間距20m；點(diǎn)距20m。剖面總長(zhǎng)23800m，坐標(biāo)物理點(diǎn)1241個(gè)，試驗(yàn)物理點(diǎn)15個(gè)，質(zhì)量檢查點(diǎn)50個(gè)，總有效物理點(diǎn)1306個(gè)。3.2 高密

10、度電阻率法（1）工作原理高密度電阻率法是一種集電剖面和電測(cè)深于一體的電阻率法，是近年來發(fā)展迅猛的一種物探方法。它是一種研究巖石和礦石視電阻率的方法，以地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為研究前提。其基本原理和常規(guī)電阻率法一樣，通過供電電極A、B向大地供直流電，在測(cè)量電極M、N間測(cè)量電位差U，進(jìn)而求得該測(cè)點(diǎn)的視電阻率（=KUI）。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率，反演出視電阻率斷面圖，再通過計(jì)算、處理、分析便可獲得地層中的電阻率分布情況，判定礦山采空區(qū)的位置、深度和范圍3。圖2 高密度電阻率法溫納裝置示意圖（2）測(cè)線布置探測(cè)采用溫納裝置（圖2），分兩個(gè)勘查區(qū)，即南采場(chǎng)區(qū)和北采場(chǎng)區(qū)。在測(cè)區(qū)中選擇重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)共布120個(gè)電極，

11、布設(shè)高密度電法剖面3條，有效物理點(diǎn)5661個(gè)，剖面總長(zhǎng)度3600米；線距50米、點(diǎn)距10米，單剖面長(zhǎng)1200米。測(cè)區(qū)剖面先根據(jù)測(cè)區(qū)出水點(diǎn)的實(shí)際地面位置為中心布設(shè)高密度電法剖面1線，剖面方向?yàn)?；向西側(cè)50米為2線，剖面方向?yàn)?2；再向西側(cè)50米為3線，剖面方向38。4. 數(shù)據(jù)處理及解釋4.1瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理及解釋（1）數(shù)據(jù)處理瞬變電磁法觀測(cè)資料是各測(cè)點(diǎn)各個(gè)測(cè)道的瞬變感應(yīng)電壓，需換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以便對(duì)資料進(jìn)行解釋。處理步驟主要分為三步：1）濾波：由于測(cè)區(qū)內(nèi)人文活動(dòng)頻繁，存在較大的人文噪聲，故在資料處理前首先要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲，對(duì)資料進(jìn)行去偽存真。2）時(shí)深轉(zhuǎn)換：瞬變

12、電磁儀器在野外觀測(cè)到的是二次場(chǎng)電位隨時(shí)間的變化，為便于對(duì)資料的認(rèn)識(shí)，需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一維層狀反演解釋，變換成電阻率隨深度的變化。3）繪制參數(shù)圖件：繪制各測(cè)線電阻率斷面圖，即沿每條測(cè)線電性隨深度的變化情況。瞬變電磁法視電阻率計(jì)算公式為4：式中t為測(cè)道時(shí)間，m為發(fā)射磁矩，q為接收線圈的有效面積，V（t）是感應(yīng)電壓。視深度為反演的解釋深度，視深度ht的計(jì)算表達(dá)式為：式中V（t）/I是歸一化感應(yīng)電壓，A為發(fā)射回線面積，d(V(t)/I)/dt是歸一化感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，St為視縱向電導(dǎo)。（2）資料解釋33勘探線電阻率斷面圖（圖3）沿原礦脈一線左側(cè)呈現(xiàn)中低阻異常的特征，說明采空區(qū)導(dǎo)電能力較好些；至P

13、600P400測(cè)點(diǎn)間礦脈帶處為高電阻率異常采空區(qū)域，因此處標(biāo)高小于左側(cè)，故而在原礦脈采挖后的空區(qū)內(nèi)無積水存在，中低阻異常應(yīng)為圍巖中殘余礦體連通，導(dǎo)電能力略強(qiáng)造成的。在P600P400點(diǎn)H0100m之間沿礦脈的高阻異常為民采采空區(qū)，已為揭露的地下工程所確定，在南區(qū)0米水平平面圖上已明確標(biāo)注。在P320測(cè)點(diǎn)處視電阻率等值線向下凹陷，說明在附近可能有低阻破裂帶存在，會(huì)弱導(dǎo)含水，在采掘到附近時(shí)應(yīng)有所重視。在P200P400段H-150-20m間視電阻率較低（最低10m），推測(cè)為磁鐵礦體與矽卡巖體等的共同反映，但也可能是充水采空區(qū)。圖3 瞬變電磁法33勘探線成果圖將33勘探線成果圖扣合到與33勘探線瞬變

14、電磁法成果圖上，整理成33勘探線綜合成果圖（圖4），從圖中可以看到物探解釋的成果與鉆探得到的結(jié)果基本一致，只是由于礦體和含水空區(qū)造成的低阻異常很難區(qū)分，導(dǎo)致有一定的誤差。P600P400測(cè)點(diǎn)間礦脈帶處為高電阻率異常采空區(qū)域，因此處標(biāo)高小于左側(cè)，故而在原礦脈采挖后的空區(qū)內(nèi)無積水存在，中低阻異常應(yīng)為圍巖中殘余礦體連通，導(dǎo)電能力略強(qiáng)造成的。在P600P400點(diǎn)H0100m之間沿礦脈的高阻異常為民采采空區(qū)，已為地下工程所確定，在南區(qū)0米水平平面圖上已明確標(biāo)注。在P200P400段H-150-20m間視電阻率較低（最低10m），在P320測(cè)點(diǎn)處視電阻率等值線向下凹陷，是低阻過渡帶，由鉆探結(jié)果可知，在P4

15、70320段H= -15010m之間沿礦脈為民采空區(qū)，而物探結(jié)果在P420320段H= -60-20m卻顯示為低阻，由此可推測(cè)這期間的采空區(qū)可能充水。圖4瞬變電磁法33勘探線綜合成果圖4.2高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理及解釋（1）數(shù)據(jù)處理在采集到的數(shù)據(jù)中，會(huì)有一些隨機(jī)干擾，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以消除這些隨機(jī)干擾與誤差的影響。1）平滑處理：數(shù)據(jù)平滑濾波的方法有很多，有徒手平滑法、最小二乘平滑法、三點(diǎn)線性平滑濾波等。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三點(diǎn)線性平滑算子對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行平滑濾波算法簡(jiǎn)潔、可行、高效。2）畸變數(shù)據(jù)處理高密度電法施工中會(huì)有很多影響其應(yīng)用效果的因素，如地下管線、河流溝谷等，都會(huì)使視電阻率發(fā)生畸變。認(rèn)識(shí)這

16、些存在的畸變因素的成因，就能通過在施工中改進(jìn)野外工作方法或數(shù)據(jù)的畸變處理來改變、消弱畸變5。使用快速最小二乘法對(duì)電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。阻尼最小二乘的迭代公式如下：式中，為水平平滑濾波系數(shù)矩陣，fz為垂直平滑濾波系數(shù)矩陣，J為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，J是J的轉(zhuǎn)置矩陣，u為阻尼系數(shù)，d為模型參數(shù)修改矢量，g為殘差矢量。這種算法可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和平滑濾波器以適應(yīng)不同類型的資料。（2）資料解釋61線中心對(duì)應(yīng)于出水點(diǎn)地表投影位置，由溫納測(cè)深斷面影像圖（圖5）顯示，剖面北端淺藍(lán)、青色區(qū)域是第四系黃土以及卵石層較厚形成的低阻異常。粉紅色區(qū)域空間分布范圍較大，從本礦區(qū)勘探工程揭露的地層、巖性來看則主要是奧陶系灰?guī)r及燕山期閃

17、長(zhǎng)巖的反映。下部分散的深紅色團(tuán)塊的高阻異常區(qū)，推斷主要反映了采空區(qū)分布的范圍及位置。在剖面的中心位置8880m處，標(biāo)高約負(fù)80米的地方有一低阻深藍(lán)色團(tuán)塊，推測(cè)為采礦工程積水所致；位于50水平以下的低阻深藍(lán)色團(tuán)塊，推斷有以下原因引起：第一種原因就是采礦工程被后期的低阻物質(zhì)充填引起的；第二種原因則不排除相互獨(dú)立的采礦工程殘留小水體存在的可能性；從圖中可知50水平線以上及第四系黃土以下基本沒有低阻異常，說明50水平線為當(dāng)?shù)氐牡叵滤痪€。圖51線溫納測(cè)深影像圖4.3 物探資料的綜合解釋推斷7根據(jù)物探異常特征和上述歸納的采空區(qū)識(shí)別標(biāo)志并結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)和鉆探資料，通過對(duì)電法和地震資料的綜合分析和比較研究后，

18、對(duì)勘查區(qū)采空區(qū)異常進(jìn)行了解釋推斷，在勘查區(qū)共解釋推斷采空區(qū)區(qū)域8個(gè)，可能含水空區(qū)區(qū)域?yàn)?個(gè)。對(duì)采空區(qū)異常綜合整理后發(fā)現(xiàn)，在本次有效勘查深度范圍內(nèi)南采區(qū)的采空區(qū)主要分布在26勘探線至34勘探線之間，其中可能含水空區(qū)分布在31勘探線至34勘探線之間。北采區(qū)的采空區(qū)主要分布在10至13勘探線，民采空區(qū)標(biāo)高自40m水平至-80m水平不等，這期間的空區(qū)水害風(fēng)險(xiǎn)較高。5. 結(jié)論（1）0水平以下采空區(qū)含水，視電阻率呈低阻異常特征，與礦體低阻異常差異不明顯。瞬變電磁法探測(cè)無法區(qū)別含水采空區(qū)與礦體。（2）電法勘探屬于體積勘探，具有體積效應(yīng)，故圈定的采空區(qū)體積要比實(shí)際的大一些。（3）通過鉆探揭露的空區(qū)或礦體賦存情

19、況，對(duì)物探推測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，表明物探推測(cè)結(jié)果基本符合鉆孔實(shí)際情況。（4）綜合物探法探測(cè)采空區(qū)能夠?qū)Σ煽諈^(qū)位置定性反映，可以指導(dǎo)鉆探有目的作業(yè)，減少鉆探盲目性，提高探測(cè)采空區(qū)水害的效率8。參考文獻(xiàn)：1 崔煥玉.采用綜合物探技術(shù)防治礦井水害J.河北煤炭，2010，2：45.CUI Huan-yu.Adopt comprehensive geophysical technology to preventand control mine water hazardsJ.Hebei Coal，2010，2：45.2 彭朝暉，張家奇，楚福錄等.鐵礦采空區(qū)地球物理勘查M.北京：地質(zhì)出版社，2007，27

20、74.PENG Chao-hui，ZHANG Jia-qi，CHU Fu-lu，etc.Iron mine goafsgeophysicalexplorationM.beijing：geologicalpress，2007，2774.3 馬海濤，吳永鋒，王云海等.尾礦壩浸潤(rùn)線的壩面快速觀測(cè)方法J.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2008，4（5）：3741.MA Hai-tao，WU Yong-feng，WANG Yun-hai，etc.Study on surface explorationmethod of phreatic line of tailingdamJ.Journal of Safety

21、 Science and Technology，2008，4（5）：3741.4 李貅.瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用M.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.LI Xiu.Transient electromagnetic sounding theory and applicationM. Xian：Shaani scientific & Technological Press，2002.5傅良魁.應(yīng)用地球物理學(xué)教程電法勘探M.北京：地質(zhì)出版社，1990.FU Liang-kui.Application geophysics tutorial-electrical prospectingM. Bejing: Geological，1990.6 段建華.綜合物探技術(shù)在礦井防治水中的應(yīng)用J.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，6（4）：6065.DUAN Jian-hua.The application of integrated geophysical exploratio