地球物理探測技術在采空區勘察方向的應用研究

潘大偉 于克臣 袁中凡

摘要：采空區是由于采礦后留下的空場，由于采空區的存在，破壞了原有的應力平衡，從而可能引發采空區的塌陷，從而引起一系列工程地質問題。目前，采空區的勘察手段主要有以下手段：地質調繪、地質鉆探和物探，傳統的地質調查、繪圖包括地質鉆探，工作效率較低。近些年以來，隨著科技的速發展，采用物探為主的采空區勘察方法得到了廣泛應用，同時為了提高勘察的精度和效率，多種物探技術的綜合應用，提高空區解譯的準確性。本文以山東一金礦淺地層采空區勘察項目來說明物探技術在該項目的應用。

關鍵詞：地球物理探測技術;采空區勘察;應用

根據地質資料分析，物探探明的深度應在10～200m之間，鑒于該地區的地質結構以及工作任務，本次工作擬選用瞬變電磁法為主，高密度電法和可控源音頻大地電磁為輔的物探手段。測線方向設計為東西布設，共30條測線，點距為5m—10m，物理點1500個。

1、方法技術

（1）瞬變電磁法

工作原理：瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。具體工作就是在地表敷設不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當回線中電流突然斷開時，在地下半空間就要激勵起感應渦流以維持斷開電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時間以等效渦流環的形式向下傳播、向外擴展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結構，由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而異常更直接、探測效果更明顯、原始數據的保真度更高。

工作裝置及采集參數試驗：根據本次勘探的地質任務、精度要求以及區內地形、地質條件，確定本次野外數據采集選擇瞬變電磁法的中心回線裝置，該工作裝置具有較明顯的優勢。野外施工中選擇如下工作參數，能夠滿足勘探任務的需要。發射線框：300m×300m;增益：4×4;電 流：10-14A;積分時間：不小于90s。

（2）高密度電法

工作原理：是基于垂向直流電阻率測深與直流電阻率剖面測量兩種方法相結合的基本原理，通過高密度電法測量系統中的軟硬件，控制在同一條多芯電纜上布置連結的多個電極，使其自動組成多個垂向測深點或多個不同探測深度的探測剖面，根據控制系統中選擇的探測裝置類型，對電極進行相應的排列組合，按照測深點位置的排列順序或探測剖面的深度順序，逐點或逐層探測，實現了自動布點、自動跑極、自動供電、自動觀測、自動記錄、自動計算、自動存儲。自動生成各測深點及各剖面層的曲線或整體剖面圖像。

結合以往在該地區的成果和經驗，高密度電法剖面的布設點距為5米，供電延時100毫秒;測量通道為120道，采用溫納裝置，溫施層為20層。自動測量自電SP、電位差VP、電流IP以及計算視電阻率ρs值。

（3）可控源音頻大地電磁

工作原理：利用接地水平電偶源為信號源的一種頻率域電磁測深法，該方法是二十世紀八十年代末才興起的一種勘探地球物理新技術，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程導出了水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式。通過調整供電頻率的高低，得到不同深度的地電信息，從而達到垂向頻率測深的目的，根據所測視電阻率特征，了解地下地質體的產狀和特征，分析推斷構造帶空間分布形態及地層巖體之間接觸關系。

本次瞬變電磁工作與CSAMT工作均使用V8電法工作站， V8有3個磁道和6個電道。磁道既可以連接標準的磁棒也可以和1到3個軸向的TDEM探頭連接。V8還可以單機工作（通常用來做AMT和MT）。

高密度工作采用的儀器為重慶地質儀器廠所生產的DZD—6A多功能直流電法儀、DUK—2A多路電極轉化器。該套儀器采用全數字化自動測量，可對自然電位、漂移及電極極化進行自動補償;高密度測量模式時可直接顯示十四種以上的布線工作模式;在DZD—6A單機模式時可直接顯示九種電極排列方式;同時工作時可實時顯示曲線等。

2、物探資料解釋推斷

充分利用收集到的地質資料和現場采集的瞬變電磁法資料，結合調查訪問結果，綜合分析，以提高資料解釋的精度和準確性。

在地球物理特征和試驗成果的基礎上進行資料的解釋，表現在成果圖上有如下特征：巖礦石采空后，上覆地層中裂隙廣為發育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得地層的導電性明顯變化。采空區內若無積水，電阻率剖面圖上表現為局部的高阻異常，采空區內若積水電阻率剖面圖上表現為局部的低阻異常。考慮到測區內的礦井均處于正常運作狀態，推測本區內主要采空區在視電阻率斷面圖的表現形態多為高阻。

3、結論

工作共完成30條瞬變電磁法剖面，累計完成物理點1500個，其中質檢點80個，高密度測量物理點480個，可控源音頻大地電磁物理點24個。通過對資料進行整理成圖和地質解釋，基本查明了工區范圍內的異常情況。結合物探資料，在工作區域范圍內發現的異常區為采空塌陷或裂隙發育，推測了采空塌陷或裂隙發育區位置。

4、建議

物探是一種間接測試手段，在野外施工中，存在不可抗干擾因素較多，可能存在一定誤差，應結合前期掌握的地質資料，給予適當校正和補充。通過物探工作，結合地質資料分析推斷了勘察區域內異常區分布范圍及深度，建議布置鉆孔進行驗證，為下一步工作提供依據。 鑒于物探方法的局限性和多解性，所測得的異常規模與異常的真實規模會有一定差距。采空區的勘察方法很多，但是每種方法都有一定的適用性，同時采空區的地質條件、埋深和地形條件等特征也是影響采空區勘察技術選擇的基本條件。所以研究空區的地質和地球物理特征及各物探方法的適用性是非常必要的。

參考文獻：

[1]薛國強，潘冬明，于景邨 .煤礦采空區地球物理探測應用綜述[J]. 地球物理學進展.2018（04）.

[2]王丹平.物探方法在煤田采空區探測中的應用研究[J]. 科技展望.2015（02）.

（作者單位：金建工程設計有限公司）