高密度電阻率法在某銻礦盲采空區勘查中的應用

周水祥，李文輝

（1.湖南有色環保研究院有限公司，湖南 長沙 410100；2.湖南有色冶金勞動保護研究院有限責任公司，湖南 長沙 410014）

由于前期的無序開采導致礦山地表以下存在一定形態的采空區，這些采空區的存在極易引起礦山突然垮塌，嚴重影響礦山人員和設備的安全［1］。為了提前探測出礦山地表下采空區存在情況，眾多學者及技術研究人員利用各種技術方法進行了采空區的探測及形態推測工作，并為存在隱患的采空區提出合理的解決方法［2-4］。高密度電阻率法因其一次性布設電極、可收獲豐富的斷面結構信息、采集速度快等優點而被眾多研究人員所喜愛，本文以某銻礦采空區探測為試驗依據，進行高密度電阻率法探測采空區的研究，同時結合地質情況推測采空區空間形態，為類似礦山提供一定的技術參考。

1 礦山概況

1.1 礦山概況

某銻礦于1906年發現即被開采，開始為無序民采。自20世紀90年代成規模化的開采以來，采礦順序由淺部向深部推進。目前該銻礦采用地下開采，開采礦種為銻礦、鎢礦，采用平硐＋斜井開拓，主要采用削壁充填法、上向水平進路充填法和淺孔留礦嗣后充填法開采。礦山自上而下劃分為＋325m中段、＋271m中段、＋218m中段、＋185m中段、＋158m中段、＋110m中段、＋65m中段等16個中段，另有深部的-385m、-430m水平正在進行坑探。＋325m中段以上位于當地侵蝕基準面以上，屬于原民采區域，由于年代久遠，開采信息不全，主要存在規模小、數量多、開采深度相對較淺、地表封堵人員無法進入、基本無圖文資料等問題。

1.2 礦山地質特征

該銻礦礦床處于雪峰弧形構造帶中段轉彎處內緣，區內經歷了雪峰、加里東、印支、燕山等構造運動。區內出露地層為板溪群五強溪組第二段的第二、第三和第四層，是一套由淺變質的碎屑巖、凝灰質巖組成的復理石建造。其中第二層（Ptbnw2-2）為凝灰質板巖、凝灰巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質砂巖；第三層（Ptbnw2-3）為石英砂巖、長石石英砂巖、凝灰質板巖、凝灰質砂巖、雜砂巖、砂質板巖，是輝銻礦及白鎢礦最主要的賦礦層位；第四層（Ptbnw2-4）為板巖、凝灰質板巖、凝灰巖。

1.3 礦山地球物理特征

礦區近地表的第四系粘土、粉質粘土，由于近期未降雨，整體干燥，表現為淺部中高電阻率特征；圍巖表現為低電阻率特征，即石英砂巖、凝灰巖、凝灰質板巖、凝灰質砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質巖類均呈低電阻率特征；鎢銻礦化與硅化關系密切，致使其綜合電阻率表現為中高阻特征；由于地形坡度大，巖層產狀陡、巖石裂隙發育，因此淺部采空區基本無積水現象，由此采空區及塌陷區表現為高阻或特高電阻率特征。

2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是采空區、巖溶、斷裂構造調查中的有效方法之一［5］。高密度電阻率法測量系統通過電極向地下介質傳送電流，根據兩電極間的測量電位差，從而求得兩電極間的視電阻率值，進而解決滑坡面、地下溶洞、采空區等淺部工程地質問題。

高密度電阻率法測量系統主要構成有主機、多路電極轉換器和電極系統三大板塊，在測量現場將電極布置在預先選定的測點處，然后主機向電極發出工作指令，電極采集到的測量電信號通過通訊設備傳輸至計算機進行儲存，并分析計算得到各剖面電斷面圖像。

高密度電阻率測量系統布置圖如圖1所示。

圖1 高密度電阻率測量系統布線示意圖

儀器在進入測量狀態后，按照一定的時間間隔將電極收集到的電阻率值傳輸至測量主機，然后保存至儲存硬盤中。數據采集完畢后對數據進行預處理，即對存儲的數據進行轉換、拼接合并、排序、突變點剔除、濾波等的處理過程。最后對預處理后的數據進行最小二乘反演，并得到反演數據結果，并繪制視電阻率等值線斷面圖。高密度電法數據采集及處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數據采集及處理流程圖

3 采空區勘查

3.1 儀器設備

根據本次工作任務，投入物探技術人員5人；儀器設備為重慶奔騰數控技術研究所生產的WGMD-9超級高密度電阻率測量系統，該系統集全中文掌上電腦、藍牙、24位A/D、大功率控制等較為先進的電子技術，儀器的主要技術指標及功能領先于當前國內外同類儀器。

3.2 測線布置

根據該銻礦的礦體產出形態、場地地形條件及高密度電阻物探方法技術特點，本次共布設高密度電阻測線5條，其中1線、2線、3線和5線地表剖面長度均為445m，使用電極90根，電極距均為5m；4線地表剖面長度295m，使用電極60根，電極距為5m。具體完成工作量見表1。

表1 某銻礦高密度電阻率法完成工作量

3.3 推斷解譯

高密度電阻率法推斷解譯，主要依據二維反演成果圖并結合該區地質情況進行分析。各剖面解譯具有較多的相似性，因此，本次分析以1線和5線兩個典型的剖面作為主要的分析對象。

3.3.1 高密度電法1線

1線高密度電法反演結果如圖3所示。地表1～5m范圍內呈現串珠狀中高阻異常特征，結合現場情況推測由近地表第四系粘土和粉質粘土引起；存在部分介質電阻率值總體介于300～1500Ω·m之間，推測由石英砂巖、凝灰巖、凝灰質板巖、凝灰質砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質巖類等圍巖引起；介質電阻率值在1500～3000Ω·m之間的中高阻異常推測由鎢銻礦化和硅化綜合反映；介質電阻率值在3000 Ω·m以上，推測由未積水的采空區或已塌陷的采空區引起，其中呈特高視電阻率異常特征的采空區基本是未充填采空區，視電阻率曲線梯度密集帶即推測采空區邊界，則1線共推斷出5處采空區，如圖4所示，分別命名為1-1、1-2、1-3、1-4和1-5，其中1-1、1-2和1-3推測為無積水未填充采空區；1-4和1-5推測為無積水已填充采空區。

圖3 1線高密度電法視電阻率反演圖

圖4 1線高密度電法推斷解譯圖

3.3.2 高密度電法5線

5線高密度電法反演結果如圖5所示。地表1～8m范圍內呈現串珠狀中高阻異常特征，推測由近地表第四系粘土和粉質粘土引起；存在部分介質電阻率值總體介于300～1500Ω·m之間，推測由石英砂巖、凝灰巖、凝灰質板巖、凝灰質砂巖、雜砂巖等碎屑巖和凝灰質巖類等圍巖引起；介質電阻率值在1500～3000Ω·m之間的中高阻異常推測由鎢銻礦化和硅化綜合反映；介質電阻率值在3000Ω·m以上，推測由未積水的采空區或已塌陷的采空區引起，其中呈特高視電阻率異常特征的采空區基本是未充填采空區，視電阻率曲線梯度密集帶即推測采空區邊界，則5線共推斷出4處采空區，如圖6所示，分別命名為5-1、5-2、5-3和5-4，其中5-1和5-4推測為無積水未填充采空區；5-2和5-3推測為無積水部分填充采空區。

圖5 5線高密度電法視電阻率反演圖

圖6 5線高密度電法推斷解譯圖

3.4 采空區空間形態

該礦區高密度電法剖面共推斷16個異常，其中8個異常推測為無積水未填充采空區，另外8個推測為采空區無積水填充或部分填充采空區，視電阻率曲線梯度密集帶即推測采空區邊界。結合地形地質和水文地質資料，探測區地形坡度大，巖層產狀陡、巖石裂隙發育，＋325m標高以上，很少積水，對未來深部坑道采礦無影響，與地球物理推斷采空區異常電阻率特征反映一致。

為了將采空區平面形態具體化，根據各剖面推斷的采空區異常點號位置，將其投影到平面圖中，其平面異常按其對應測線起止點號長度為投影平面橢圓形的長軸，其短軸按其長軸的1/2估算，投影各異常平面面積總計9856m2。

由于探測區域內存在的采空區是以前民采所造成，因此采空區空間形態與存在的礦體形態相似。根據礦山的地質資料，白鎢礦和輝銻礦體形態為豆莢或扁豆狀，則本次試驗空區空間形態可認為是橢圓體，按照剖面圖可推測空區體積。各剖面異常體積估算詳見表2，物探探測采空區體積估算約73382 m3，其中無積水未填充采空區體積約50121m3。

表2 高密度電法推斷采空區投影面積及體積估算表

4 結論

1.根據高密度電阻率法反演及推斷解譯結果可以較好的反映該銻礦區的圍巖、礦化帶和采空區分布情況，視電阻率曲線梯度密集帶即推測采空區邊界。

2.該銻礦區各剖面采空區均以高阻或特高阻異常為特征，反映采空區不存在積水現象。結合地形地質和水文地質資料，探測區地形坡度大，巖層產狀陡、裂隙發育，＋325 m標高以上很少積水，與地球物理推斷采空區異常電阻率特征反映一致。

3.該銻礦區由剖面共推斷出16個采空區異常，投影各異常平面面積總計9 856 m2，采空區體積估算約73 382 m3，其中無積水未填充采空區體積約50 121 m3。