綜合電法技術在鋁土礦采空區探查中的應用

胥克俊 王智強 楊 猛 張宏強3

（1.國家電投集團鋁電投資有限公司；2.國家電投集團山西鋁業有限公司）

山西省興縣鋁土礦生產基地由于歷史原因，周邊存在民采破壞的情況［1］，遺留下大量不明采坑。這些遺留采坑幾乎沒有巷道采掘圖，給鋁土礦基地工業廣場的建設及后續生產造成安全隱患，急需采用一種經濟可靠的技術手段予以探明。

對研究區內地球物理特征、實際地形及施工條件等因素進行分析后，采用瞬變電磁法為主、高密度電阻率法為輔的綜合電法技術進行探查，并通過鉆探工作，對探查結果進行驗證。

1 地質概況

研究區在興縣縣城西北方向，位于魏家灘鎮東磁窯溝村—楊家山一帶，北起廟子井村，南到楊家山村，西起王家里村，東到郝家溝村。

根據礦體分布情況，本次采空區勘探工作分為5個鋁土礦礦體（編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）進行勘測，研究區面積約3.28 km2，全區鋁土礦埋深為0~203 m，詳情見表1。

2 地球物理特征及綜合電法的布設思路

電阻率是描述物質導電性能的一個電性參數。巖、礦石的電阻率值越大，其導電性就越差；反之，則導電性越好。瞬變電磁法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，在下半空間就要激起感應渦流，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；高密度電法測量的實質是直流電阻率探測地層剖面，將所有電極沿測線方向等間距布置好，由主機控制多路電極轉換器，按編程實施自動轉換供電和測量，并將測量數據記錄到電子硬盤上。工作時，隨著供電電極距的加大，電流場作用的范圍加深、變廣，因此，所測得相應視電阻率值的變化就反映了該點下方沿垂直方向上的電性變化情況。不同的地質體其電流場分布不同，在一定條件下，視電阻率的變化能反映地層巖性和結構的變化。

不同的巖石對應著不同的密度、導電性、彈性、放射性等物理性質，是地球物理探查工作的理論基礎和前提。該區鋁土礦被開采后形成采空區，破壞了原有的地殼應力平衡狀態，使得采空區與圍巖的電阻率值發生變化［2］。當鋁土礦層存在采空破壞區，且采空破壞區內不含水時，電阻率呈現高阻特征。分析對比電性參數，區分物性差異，尋找異常區來劃分采空區范圍，是本次電法勘探的理論依據［3］。

一般情況下，巖性隨深度發生變化，相應電阻率縱向（沿深度）上變化較大；但橫向（沿測線方向）上變化較小，它的變化主要反映出采空破壞區規模的大小變化。所以，應用瞬變電磁法解釋采空破壞區，主要是依據平面上的電阻率變化特征［4］。完整地層的電阻率在沿測線方向（橫向上）是連續不突變的；縱向上（埋深方向）逐層增大，主要表現為低電阻率值的覆蓋層、中電阻率值的含礦地層、高電阻率值的奧灰底板（圖1）。采空破壞區的視電阻率在沿測線方向含礦深度位置發生突變，呈現高阻閉合圈，且視電阻率值高于正常地層（圖2）。

本次探查工作依據鋁土礦采空區在視電阻率順層切片圖上的特征，對異常區進行圈定和組合，大致圈定異常區范圍；然后，再與擬視電阻率斷面圖進行對比分析，進一步優化鋁土礦采空區分布范圍，并結合地質、鉆孔等資料作對應的綜合地球物理與地質勘探分析，得出采空區的分布規律；最后，通過對全區地質資料進行綜合分析，劃定鋁土礦層采空異常區，繪制出目的層采空破壞區分布圖。

勘探區內不同區塊礦層上覆覆蓋層厚度差異較大，引起自上而下的視電阻率差異較大，加之原小窯破壞等客觀因素的影響，導致各區塊電性異常反映不盡相同。從各測線擬視電阻率等值線斷面圖中可看出，在礦層底板界面附近出現多處小范圍高阻異常電性特征［4］。不同區塊采空區范圍的分析、圈定，主要依據擬視電阻率等值線的扭曲、密集、變形的形態，大體上以某一閾值進行劃分。

3 鋁土礦采空區探查的實例研究

3.1 二維擬視電阻率斷面圖特征分析

研究區內地形起伏變化較大，存在地形對觀測數據的影響，故依據測點標高對探測深度進行地形校正，所有斷面圖件均采用視電阻率—高程數據繪制。在擬視電阻率斷面圖上，正常情況下的地層是指不受采空破壞、富水區、含導水構造等的影響，體現在地層的電性變化會呈現出一定的規律性，從而反映在擬視電阻率斷面圖上的值分布穩定，擬視電阻率等值線圖呈似層狀分布；相反，當存在采空區域及導水構造等情況下，擬視電阻率等值線圖則發生扭曲、變形或呈密集條帶狀分布［5］。

本次工作選擇了2條具有代表性的多測道電壓剖面圖及擬視電阻率斷面圖進行詳細研究。

3.2 等值線斷面分析圖

圖3為TEM-4線多測道電壓剖面圖及擬視電阻率等值線斷面圖，圖3（a）中橫坐標均為測點，縱坐標為二次電壓值。從曲線形態的變化可看出二次電壓值衰減的快慢程度，從而反映出不同地層擬視電阻率的相對高低變化特征。圖3（b）中橫坐標均為測點，縱坐標均為標高。填充漸變色代表了擬視電阻率低—中—較高—高的漸變過程。圖中黑色粗虛線分別表示的是奧陶系灰巖為底板的界面。

從縱向上看，圖中從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現低—中—高阻的電性特征。

從橫向上看，圖中當礦體采空時，在擬視電阻率斷面圖上表現為“高視電阻率異常”，擬視電阻率參數曲線的相應段均有局部高，且呈不均勻體反映，在擬視電阻率斷面圖上，擬視電阻率等值線向上凸起，發生扭曲變化，呈條帶狀或圈閉的高阻區。

圖3地形線上用紅色線圈定的820~840 m范圍為調查的地面開裂塌陷區。相對于整個勘探區來說，TEM-4線整體礦體埋深相對較淺，礦體被采空破壞后容易引起地表變形。

本次勘探區南部ZKA4-16鉆孔揭露為采空破壞區，結合視電阻率等值線斷面圖可看出，在礦層底板界面附近740~840 m段擬視電阻率ρτ≥130Ω·m，相對偏高，擬視電阻率等值線向上凸起，發生扭曲變化，且有明顯的分界線，推斷740~840 m段為采空破壞區。

3.3 高密度電阻率斷面圖分析

圖4為GMD-1線反演電阻率斷面圖，從圖中可看出，此段地形起伏變化較大。從橫向上看電阻率呈相對不均勻狀態，地層未呈現出相對穩定的層狀均勻特征反映，分析認為局部存在采空破壞區。從縱向上看，自上而下電阻率大體呈低阻—中阻—高阻的變化特征，與瞬變電磁法探測的地電特征基本一致。

結合瞬變電磁法的斷面特征進行綜合分析，720~820點深部呈相對的高阻電性特征反映，推斷為采空破壞區，解釋范圍與瞬變電磁法基本對應。

3.4 二維擬視電阻率順層切片圖特征分析

繪制各測線擬視電阻率等值線斷面圖以及礦層擬視電阻率順層切片圖，在各測線斷面圖上可以看到沿測線斷面方向上的視電阻率分布特性及電性異常，在切片圖上可以看到目標層對應深度上的擬視電阻率分布特性及電性異常［6-7］。為簡便起見，選擇了Ⅴ號礦體擬視電阻率順層切片圖進行詳細敘述。

按照礦體的分布范圍及施工網度進行劃分分區。勘探區Ⅴ號礦體南部及中部劃定為一分區；北部劃定為二分區；重點勘探區劃定為三分區（加密區）。各分區的大體分布位置及范圍詳見圖5。

圖6為一分區擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ為80~175Ω·m，整體值較高。在覆蓋層較薄的區塊，結合斷面圖中等值線的變化形態，大體以擬視電阻率ρτ≥130Ω·m的等值線呈高阻圈閉狀，劃定為鋁土礦采空破壞區；在覆蓋層較厚的區塊，大體以擬視電阻率ρτ≥150Ω·m的等值線呈高阻圈閉狀，劃定為鋁土礦采空破壞區。

圖7為二分區擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ值介于110~158Ω·m，整體值相對較高，結合各測線擬視電阻率等值線斷面，圖中等值線呈似層狀分布，變化平緩，解釋為未發現采空破壞區。

圖8為三分區擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ值介于98~170Ω·m，整體值較高，結合各測線斷面圖中等值線的變化形態，采空破壞區的劃定原則同一分區基本一致。

3.5 鉆探驗證

物探工作完成之后，圈定了采空異常區，通過鉆探驗證工作，施工鉆孔2個（YZK5-1位于V礦體CK-3處、YZK5-2位于V礦體CK-6處），其中YZK5-1鉆孔在30.80~33.20 m揭示出采空區，YZK5-2鉆孔在50.64~51.48 m揭示出采空區，推測為鋁土礦民采巷道，說明本區物探工作比較可靠。

4 結 語

本次工作在數據采集中結合多種數據處理的方法，獲得了客觀反映實際的電法多參數綜合解釋資料，提高了本次地質解釋成果精度。物探工作完成之后，圈定了采空異常區，對礦區進行了采空區鉆探驗證，初步圈定勘測區范圍內鋁土礦的采空區位置及分布范圍，為下一步礦產開發提供了可靠的資料。