電磁法和高密度法在空區探測中的應用研究

容 宇

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤礦業分公司， 云南 曲靖市 654211)

0 引 言

下伏采空區直接威脅著上部礦體開采安全，如何有效探明下部采空區形態一直是研究熱點。國內外采空區的探測方法多種多樣，主要以工程鉆探和地球物理勘探技術為主[1]。工程鉆探技術很直觀，可以直接查明地下地質體的實際情況，但是鉆探畢竟只能控制一處較小的面積，對于工程量大，覆蓋面積廣的勘探區域則無法實現[2]。所以工程上更傾向于采用地球物理勘探為主，工程鉆探為輔。物探技術主要包括重力勘探方法、電磁方法、地震勘探方法等[2-12]。

某鋁土礦開采至今，由于常年不規范開采，致使下部既存在大型的因分段開采造成的采空區，又存在大量因民采活動造成的大小位置不詳的采空區，且采空區的空間分布和狀態十分復雜，嚴重威脅礦區建設與安全開采。本文以某鋁土礦下伏采空區為研究對象，對各種空區勘探方式在該下伏采空區的適用性進行了研究，為某鋁土礦的安全生產提供參考。

1 工程概況

該礦區屬于地勢較低的丘陵地帶，從西往東地勢逐漸遞減，兩邊地勢高于中部地區。海拔高度介于370 m和760 m之間，最大相對高差為390 m。地區坡度介于15°與45°之間，總體的坡度為25°左右。區內大部分地區被黃土所覆蓋，形成了大片的沖溝，沖溝方向呈近南北向。區內大多地方缺水嚴重，雨季和旱季雨量相差極大。

該礦區地層為第四系地層，通過鉆探調查及對地表情況的調查，查明了礦區地層由老到新分為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系。礦區的地質構造包括褶皺和向斜，礦區地層大致呈一個大的單斜，傾角20°～40°，傾向170°～220°，大致的傾角為25°～32°，沿走向不同地段略有變化。由于受到構造的影響，不同地層的產狀有所變化，礦體的產狀幾乎與地層產狀一樣，呈一個巨大的單斜。

該區域同時附存煤礦層和鋁土礦層，且賦存于較淺的位置，由于早期不規范開采，對該區域地下空間穩定性和采場作業安全造成重大影響。開采區域內空區的位置不明確、大小不確定，極大程度制約了地下深部鋁土礦的安全開采，并對后續的地面建構筑物構成了威脅。不查明采空區的具體位置、形態和規模，地面建構筑物的穩定性同樣無法得到保障。因此，有必要對亂采亂挖造成的采空區進行深入勘探，充分了解采空區所處的地質環境，探明采空區埋藏的深度、規模、形態，為礦區的安全生產和人民的財產安全提供保障。

該試驗研究采用大地電磁成像(EH-4)法和高密度電法2種探測方法，并結合采空區上覆巖性的地質特征及地球物理特征制定可行的探測方案，為采空區的有效探測提供理論依據。

2 空區探測

采空區必巷道相連并通往礦井，并且由現場調研來看，大部分的采空區是由進路巷道形成的。所以，可以通過追蹤連通開采礦井的巷道來確定采空區勘探的范圍。

2.1 巷道條數探測

采用物探法探測采空區時，為了不漏掉礦井的每個巷道，在礦井口布置了4條測線，呈“井”字行分布，礦井口位于“井”字型測線中心(見圖1)，以確保只要該礦井有巷道定會在測線Q1～Q4的探測成果圖上，根據成果圖上推斷礦層上異常點的個數并結合調查資料即可判定該礦井的巷道條數。為了提高工作效率，在使用大地電磁成像(EH-4)方法探測時將“井”字型測線布置改為“口”字型測線布置，如圖1中測線Ⅰ～測線Ⅳ(實線)，測線長均為6 m。高密度電法探測時為了達到足夠的探測深度仍使用“井”字型測線，測線長均為150 m。

圖1 測線布置

2.2 巷道走向和長度探測

如圖1，若測線Ⅰ在n點處有一巷道通過，則礦井口中心o點和n點連成的射線方向即為巷道的走向。在離o點稍小于調查巷道長度處，橫跨巷道走向再布置一條測線N1(用大地電磁成像[EH-4]方法探測時測線長20.0 m，用高密度方法探測時測線長150 m)，如果測線N1探測成果圖的m點有異常反應，再沿巷道走向往前平移一段距離橫跨巷道走向布置測線N2(用大地電磁成像[EH-4]方法探測時測線長30.0 m，用高密度方法探測時測線長150 m)，如果N2探測成果圖上的巷道出現異常情況，則測線N2繼續向巷道走向方向平移，直到測線N2探測成果圖上完全沒有巷道的異常反應時，巷道的長度就能基本確定。

2.3 采空區探測結果

分析大地電磁成像(EH-4)法的測試數據，繪制電阻率擬斷面圖，如圖2、圖3所示。采空區異常顯示出高、低阻情況，為此，必須結合現場地理環境、地質情況和調查資料綜合判斷。一般情況為：低阻異常(見圖2)可判斷為巷道充滿水或泥水；高阻異常(見圖3)可認為巷道是空氣充填或半充填。

圖2 199#巷道異常呈低阻反應

圖3 245#巷道異常呈高阻反應

探測過程中發現，大地電磁成像(EH-4)法對于埋深小于20.0 m的巷道有時效果不明顯。對于此類埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探測，極距為2.0 m；而對于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地電磁成像法探測，極距、點距均為2.0 m。

已有地質資料顯示，251#井空區埋深大于20.0 m，大地電磁成像法更為適合該空區的探測，為此采用該方法對251#井空區進行探測。探測過程中，在251#井拼接測線樁號4.0 m，高程464.6 m，發現一高阻異常點，判斷為巷道通過處。在251×N1測線樁號8.0 m，高程465.4 m處，發現一高阻異常點，判斷為巷道通過處，探測結果如圖4所示。

圖4251#井EH-4電阻率擬斷面

再根據平面布置圖，確定空區(巷道)方位，走向S34°W。探測所得原始數據經系統處理重構采空區三維圖，埋深24.5 m，長度9.5 m，寬度約2 m(見圖5)。

圖5 251#井采空區平面分布

3 采空區治理

結合礦山工程實際，適用于礦山的采空區處理方法如下。

(1) 對于體量較小的采空區，可砌筑一定厚度的隔離墻，阻隔由采空區中圍巖垮落所產生的沖擊波、沖擊氣浪及飛石。

(2) 對范圍較大的采空區，條件滿足的情況下，采取構筑人工石柱的方式處理空區。采用該方式時，常結合錨索或錨桿對采空區進行局部加固等臨時措施，構筑人工石柱對采空區進行處理。

(3) 當采空區體積較大且對上覆鋁土礦開采影響較大時，可考慮采用充填材料對采空區進行充填處理，使充填體與圍巖共同作用，以改變圍巖應力分布狀態，達到有效控制地壓和防止地表塌陷等目的。

綜上，對于大體積采空區應采用大采空區充填關鍵承載位置的方法進行地壓處理，再對通往大采空區的巷道進行封閉，以防止大規模圍巖崩落所形成的沖擊波對生產帶來的危害，即采用充填-封閉聯合處理空區法。

4 結 論

(1) 針對初步選擇的高密度電法和EH-4大地電磁法對采空區進行實際探測，對比2種方法實際應用過程中探測結果的差異。探測結果表明：對于埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探測，其極限距離為2.0 m；對于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地電磁成像(EH-4)法探測，極距、點距均為2.0 m。

(2) 結合空區賦存形態，最終確定利用大地電磁成像(EH-4)法對該礦的251#井進行了探測，確定了采空區的異常范圍、埋深、形態及充填情況，探測結果為：采空區埋深24.5 m，長度9.5 m，走向S34°W，寬度約2 m，巷道內空氣充填或半充填。

(3) 給出了采空區處理的主要措施，即充填-封閉聯合處理空區法。