金屬礦山盲空區探測方法淺析

申隨水 ，施強 ，畢炳坤

（1.河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471000；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預測重點實驗室，河南 洛陽 471000；3.自然資源部貴金屬分析與勘查技術重點實驗室，河南 洛陽 47100）

0 引言

礦山在不同歷史時期遺留下的盲空區，其開采時的采礦方式大多為民采或私采亂挖（包含古人采金、銀、銅等遺留下來的一些古采礦洞），其平面、空間位置不明，形態各異。由于存在不安全因素、通道被封、積水等各種原因現在人員已經不能進入，無法開展直接的礦山盲空區測量工作。

由于上述盲空區的存在，當盲空區附近具有一定的外力作用，其周圍巖石應力（特別是上覆地層）發生改變，極易發生嚴重的地面塌陷，嚴重威脅當地人民群眾的生命和財產安全；同時，盲空區的存在又影響著現有礦山企業深部采礦工程的安全。因此，采用間接方法對盲空區進行探測是大多數礦山建設面臨的重要安全問題，對盲空區的探測有利于促進礦山安全生產工作。

國內外許多學者都曾對巖溶、盲空區、防空洞等不同的地質體，用不同的探測手段（主要是高密度電阻率法、探地雷達等物探探測方法手段）進行了研究（冠繩武等，1994；鄧居智等，2001；鄧居智等，2002；劉曉東等，2002；劉曉東等，2003；朱自強和戴亦軍，2004；高宇平等，2008；丁榮勝等，2010；李耀華等，2011；賈永梅等，2012；王東和方玉滿，2012；楊鏡明，2012；劉文強，2018），取得了較好的應用效果，但較為全面系統地闡述礦山盲空區探測方法的研究鮮見。筆者試圖在總結個人長期實踐工作經驗及分析前人研究成果的基礎上，對礦山盲空區的探測方法進行歸納，供同行參考。

1 盲空區探測方法

目前，盲空區探測方法按探測的先后次序大體可分為礦區地質及歷史采礦資料收集與分析、地表調查、物探探測、鉆探驗證與盲空區深度校正、資料綜合分析與評價5個步驟。在盲空區探測工作中，通常是先充分收集礦區地質及歷史采礦資料并進行詳細的分析與評價，初步確定盲空區在礦區內可能存在的平面位置；其次是開展地表走訪調查工作，詳細訪問調查地面建筑物的破壞歷史及現狀、地面塌陷區的現狀及發生時間、老窿口的分布范圍及開采歷史等，進一步縮小盲空區可能存在的平面位置；第三是結合礦區水文工程地質條件有選擇地在已知盲空區上開展物探探測盲空區方法試驗，之后采用最有效的物探方法對盲空區進行探測；第四是在不同類型物探推斷異常之上開展工程鉆探驗證；最后開展探測成果資料綜合分析與研究，最終對盲空區的分布范圍、規模形態、埋深及穩定性進行評價，為將來的綜合治理提供依據。

1.1 礦區地質及歷史采礦資料收集與分析

全面系統地收集礦山以往的地質報告、地災評估報告、施工坑道、礦山的開采狀況；收集礦區范圍內及附近的區域地質、礦山地質、水文地質、工程地質、環境地質及氣象水文資料；收集礦區內的礦床開采范圍、深度、厚度、時間和開采技術條件；收集礦區以往盲空區調查成果等資料。之后，對所收集到的資料進行綜合分析、整理，初步了解礦山的開采歷史、礦體的大致分布范圍，初步確定盲空區在礦區內可能存在的平面位置，在野外初步踏勘工作的基礎上，指導盲空區調查工作。

1.2 地表調查

對礦區內外的地質環境和受盲空區影響產生的一些工程形變地域進行詳細的地表調查工作。主要通過民訪和民調的方式進行，工作采用方格網式路線進行。訪問工作要逐戶了解，開展調查工作時需聘請經驗豐富、熟悉情況的當地人當向導。地表走訪調查工作重點主要有以下3個方面：（1）地面建筑物變形的位置、發生變形時間、破壞形式、程度、房屋變形嚴重程度與房屋距地下采礦工程距離等；（2）塌陷區的平面位置分布、發生時間、大小、特征、周圍地表次生地質災害發肓現狀以及地面塌陷區形成的深層次原因（地壓作用的影響、盲空區頂板埋深、采礦層段是否重疊、采礦層段之間的厚度、采場跨度、采場的極限跨度、采場的有效安全厚度等）；（3）老窿口的平面位置分布、開采歷史、開采年限、開拓方式、主要采礦方向、以往是否出現采礦安全事故等各方面的信息。上述3個方面的走訪調查及各種工程及地災調查點的調查成果要盡可能的具體細致。

地表走訪調查的目的是在礦區地質及歷史采礦資料收集與分析的基礎上，對礦區地質及歷史采礦資料收集與分析，對地表走訪調查成果進行綜合分析研究，進一步縮小盲空區可能存在的平面位置，確定開展物探探測盲空區的平面位置及探測深度。

1.3 物探探測

物探是基于物理學中的電、磁、波、質量、光、熱等理論為基礎，其方法應用以目標地質體與周圍介質的物性差異為前提，如電性、磁性、密度、波速、溫度等，根據物性差異選擇正確的方法與技術進行勘查（郭建強和朱汝烈，2003；廖育民，2003），一般都可以獲得較好效果。包括盲空區在內的任何地質災害的發生、發展都會引起地球物理場的變化，因此在盲空區調查工作中開展物探探測工作具有良好的地質與地球物理前提。此外，物探探測具有快速、經濟、準確的特點，在巖溶、盲空區、地面塌陷、滑坡等地質災害勘查評價方面具有其它探測方法所不具備的優勢。

物探探測礦山盲空區的方法很多，主要有：高密度電阻率法、瞬變電磁測深法、探地雷達、微重力測量、高精度磁測、淺層地震等方法。眾所周知，不加選擇地同時開展所有物探方法既浪費時間（工作效率低下）又不經濟可行（增加了探測成本）。這就要求首先開展物探方法探測盲空區方法試驗研究，遵循由已知到未知、由點到面、由簡單到復雜的原則，在已知地質資料的地段，根據不同的物性差異，選用不同的物探方法開展試驗，然后將各自的試驗成果進行對比分析，建立地質—地球物理模型，合理地選取各種技術參數，指導面上物探數據的正確采集，從而保證對數據處理、資料解釋以及成果推斷具有參照性和可比性；選用合理的物探方法進行優化組合，對盲空區進行掃面探測，了解目標地質體的賦存形態、規模、埋藏深度等特征。

下面以在盲空區探測中應用最為廣泛的高密度電阻率法為例具體說明物探在礦山盲空區探測中的探測效果。

河南汝陽東溝鉬礦早期多為小規模民采，開采方式多為豎（斜）井加平巷，且多在無序的狀態下進行，采礦斜井、豎井、平硐近八十個，深度由幾十米至幾百米，采場跨度長、寬度、高度大，各種規格、不同標高的地下工程、地下采場縱橫交錯，地下盲空區分布范圍、狀態不清，嚴重影響東溝鉬礦的安全生產和區內居民居住安全。為查明礦區內盲空區的分布范圍及埋深，切實保障人民的生命和財產安全，同時為下一步礦山安全生產及安全防治工作提供科學依據，開展了實地走訪調查民采坑道及盲空區，物探以高密度電法為主、瞬變電磁法為輔探測盲空區的分布范圍和深度，鉆探驗證物探推斷的盲空區并修正物探解釋結果，最終提高物探解釋精度，測繪精確測定物探測量點位及驗證鉆孔坐標保證盲空區空間坐標精度。

根據礦區實際工作條件及探測深度和精度，確定使用高密度電法和瞬變電磁法兩種方法。高密度電法適合接地供電條件好、沒有房屋等障礙物的工區；高密度電阻率測量兼具剖面法和測深的功能，具點距小、數據采集密度大的特點，能較直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態、產狀等；與常規視電阻法相比具有測點密度大、一次可以完成縱橫二維勘探過程，實現了視電阻率的快速采集；觀測精度較高，數據采集可靠，對地電結構具有一定成像功能，能獲取豐富的地質信息，可以同時采集剖面縱、橫方向上的信息，既可在地面上尋找追索、圈定異常位置，確定性質，又可在垂向斷面內作定量解釋。本區就是先采用該方法的定性解釋，圈出盲空區位置、范圍，再利用縱向信息對其埋深等進行定量解釋。瞬變電磁法測量精度高、探測深度大，適合房屋等障礙物多、巖石裸露、接地供電條件不好的工區。通過高密度電法和瞬變電磁法測量工作，可初步查明盲空區的分布范圍和深度。

高密度電阻率測量使用儀器為WGMD-3型高密度電阻率測量系統，采用α排列（溫納裝置AMNB）進行固定斷面掃描測量，電纜總長600 m，電極60 根，點距10 m，AB/2min=15 m，AB/2max=240 m。野外數據采集利用程控電極開關和電法儀器實現數據的快速自動采集、自動存儲。數據反演利用“RES2DIN”軟件，使用基于準牛頓最優化非線性最小二乘算法，并利用測量成果采用有限元法對實測數據進行地形改正，保證數據的真實性。

礦區內主要地層巖性為第四系黃土、碎石土、安山巖、破碎安山巖、花崗斑巖及破碎帶。采用野外小四極露頭測定巖石物性，測定結果見表1。

由表1可知，區內巖性的電阻率特征為：花崗斑巖最高，均值5976 Ω·m，安山巖次之，均值2036 Ω·m；第四系及破碎安山巖的電阻率為同一數量級，均值200 Ω·m左右；碎石土及破碎帶的電阻率最低，均值48.8 Ω·m、56 Ω·m。

表1 東溝鉬礦盲空區探測物性測量統計表

根據在已知盲空區上開展的方法有效性試驗資料（張向宇等，2009），作為項目調查的標的對象——盲空區多位于安山巖及花崗巖中，圍巖較穩固，巖石富水性極弱，一般屬隔水層，因此盲空區的物性特征表現為高電阻率，且這種高電阻率特征主要為盲空區與其周圍巖石在電阻率方面的相對強度上。上述物性特征為本區運用高密度電阻率測量進行地下盲空區調查提供了良好的地球物理前提。

在東溝鉬礦5線探測盲空區的實例如圖1所示，盲空區在地電斷面上主要反映為高阻異常特征，在一定極距深度內呈水平層狀間斷高阻閉合圈，圖2為經過地形改正后的反演成果圖，能很清晰地將盲空區異常分離出來，探測效果顯著。

圖2 東溝鉬礦盲空區高密度電阻率測量5線ρs反演斷面圖

在礦區接地供電條件不好的地區開展了瞬變電磁測深，在420 m標高的視電阻率平面等值線圖上出現3個明顯的局部異常（圖3），推測為3個盲空區。后期礦山探礦均在相應位置見到了盲空區，說明瞬變電磁測深探測盲空區是有效的。

圖3 東溝鉬礦盲空區瞬變電磁測深420 m ρs平面等值線圖

1.4 鉆探驗證與盲空區深度校正

（1）鉆探驗證

圖4、圖5是東溝鉬礦探測盲空區工程鉆探驗證實例。如圖4所示，驗證孔ZK1所在高密度電阻率測量反演斷面上有一中心距地表埋深約35 m，寬約70 m的高阻地質體，ZK1的施工結果于孔深56.72 m觸到盲空區頂板，孔深72.64 m觸到盲空區底板；圖5中驗證孔ZK4所在的高密度電阻率測量反演斷面上顯示有一中心距地表埋深約40 m，寬約100 m高阻地質體，鉆探結果在孔深56.22 m深度處觸到盲空區頂板，在孔深64.27 m深處觸到盲空區底板，盲空區高8.05 m。

圖4 東溝鉬礦盲空區ZK1（左）、ZK4（右）驗證剖面

（2）盲空區深度校正

對不同的物探異常類型進行鉆探驗證，為物探測量成果的綜合分析研究、修正物探解釋結果、提高物探解譯精度提供依據。通過施工驗證物探異常區的位置及其它信息。由鉆孔驗證的盲空區頂底板埋深對全區物探異常的深度進行修正。

根據已知盲空區埋深、3個盲空區驗證鉆孔所見盲空區頂板底板埋深及其所在斷面反演圖上異常特征，對測深斷面所反映的異常進行系統的深度校正。由上述已知盲空區及3個鉆孔盲空區頂板、中心和底板埋深校正系數按算術平均值進行統計，得出全區斷面異常綜合校正系數。全區斷面異常綜合校正系數取值見表2。

表2 東溝鉬礦盲空區探測高密度電阻率剖面異常及深度推斷校正系數

1.5 資料綜合分析與評價

在盲空區調查工作中，充公利用地表走訪調查、地下采礦工程等信息并對其進行了定量化的定義、賦值，提高了這些模糊信息在盲空區評價中的作用。對收集到的有關盲空區的信息進行全面整合，加強信息的綜合利用，減少單因素誤判的可能性，使盲空區的圈定和評價更具有定量意義上的科學性（李剛等，2002；汝亮等，2012；李蓮英，2012；張偉等，2019）。

通過礦區地質及歷史采礦資料收集與分析、地表走訪調查、物探探測、鉆探驗證與盲空區深度校正等探測成果對礦區內盲空區進行綜合分析與研究，最終對其危險性進行評價。

2 盲空區劃分

2.1 盲空區可信度劃分

根據盲空區調查綜合信息與以下幾個條件的吻合程度進行盲空區判定：（1）集中分布于礦區勘探報告圈定的主礦體之內或邊部；（2）已施工的大量地下采礦工程，形成了“樓上樓”盲空區現狀；（3）地面建筑物顯示出不同程度的拉張裂縫；（4）盲空區上方個別地段在不同時期已形成了多處塌陷坑；（5）物探探測的反演斷面上顯示有明顯的與“響應模型”一致性，異常空間形態能夠對比連接。

根據以上劃分依據，對盲空區調查綜合信息進行如下的級別劃分：A級：已知盲空區、已知塌陷坑、鉆探驗證盲空區、地面建筑物拉張裂縫區，地下工程較密集，在物探異常中定性為可能性大盲空區。B級：地下工程較密集，物探異常定性為可能性大或中等盲空區，地表建筑物局部有輕度受損跡象的地域。C級：地下工程稀疏，僅有物探異常定性為可能性中等或小的盲空區電阻率異常的地域（這些區域一般面積較小，很可能是一些小體積盲空區）。

以上的分級劃分反映的是盲空區的可信度。A級表示可以肯定的盲空區（其存在性是肯定的，其空間形態局部是推測的）；B級表示盲空區存在的可能性較大的地域；C級表示僅有物探異常而無其它資料佐證且規模較小的推斷盲空區。

2.2 盲空區危險性劃分

盲空區危險性分區依據主要有以下5 條：（1）“以人為本，安全第一”的原則；（2）水文地質工程地質條件；（3）盲空區劃分級別；（4）已確定或推斷的盲空區頂板埋深；（5）處于礦區內主要的構造破碎帶附近。

根據以上依據綜合分析進行盲空區危險性區域劃分：一類為危險性大區，二類為危險性中等區，三類為危險性小區，具體特征如下：（1）盲空區危險性大區（一類區）：礦區內人口相對集中，民居建筑較多，房屋陳舊，房屋結構以木結構居多，地質災害點分布多，盲空區內已施工有大量的地下采礦工程，且這些地下工程具有由多個標高形成的“樓上樓”狀況，盲空區周圍的地面建筑物顯示出不同程度的振動裂縫，物探解譯盲空區頂板埋深距地表40 m以內、盲空區物探探測異常面積較大，處于礦區內主要的構造破碎帶附近，容易誘發采空地面塌陷、不均勻沉陷等災害。（2）盲空區危險性中等區（二類區）：區內人口相對一類區略少，地質災害點相對較少，盲空區內地下采礦工程較少，物探解譯盲空區頂板埋深距地表深度大于40 m、盲空區物探探測異常面積較小。（3）盲空區危險性小區（三類區）：地面無居民居住，盲空區內地下采礦工程稀少，物探解譯無盲空區部位。

3 結論

客觀存在的盲空區是危害礦山安全生產的重大因素，如何對盲空區進行探測是當前礦山企業所要面臨的重要問題，本文在總結前人工作經驗的基礎上，提出了盲空區探測的5個方法步驟：礦區地質及歷史采礦資料收集與分析、地表調查、物探探測、鉆探驗證與盲空區深度校正、資料綜合分析與研究。

物探探測是盲空區探測的重要手段和方法，在盲空區探測中一定要遵循“由已知到未知、由點到面、由簡單到復雜”的原則。在已知地質資料的地段，選用不同的物探方法開展試驗，建立盲空區地質—地球物理模型；選用合理的物探方法進行優化組合，對盲空區進行掃面探測；物探探測成果解釋應在定性解釋的基礎上進行定量解釋工作，特別是要以已知地質信息為指導，通過現代計算機技術的應用，不斷提高物探解釋推斷的準確性。通過實踐證明：根據鉆探驗證盲空區埋深對盲空區物探測量斷面異常進行深度校正，具有較高的可靠性，探測效果較好。

綜上所述，探測成果資料綜合分析與研究工作中應充分利用礦區地質及歷史采礦資料收集與分析、地表走訪調查成果，最終對盲空區的分布范圍、規模形態、埋深及穩定性進行綜合評價，為將來的盲空區綜合治理工程提供依據。