综合物探技术在老空区水害防治中的应用

综合物探技术在老空区水害防治中的应用刘勇锋1,2，马海涛1，付士根1（1.中国安全生产科学研究院，北京100029）（2.北京科技大学，北京100083）摘要：老空区水害是影响我国矿山安全生产的重大灾害之一，通过应用综合物探技术查清老空区的开采规模、开采位置、空间形态及冒落、积水等情况，结合钻探揭露的空区和矿体赋存情况进行对比验证，表明高密度电阻率法和瞬变电磁法对采空区的探测具有较好的探测效果，能有效地对采空区的含水性进行探测与评价，防止重大突水事故的发生，为后期进行的开拓工程提供可靠的依据。关键词：高密度电阻率法；瞬变电磁法；采空区；水害theeffectivenessofcomprehensivegeophysicalmethodstocontrolgoafwaterdisasterLIUYong-feng1,2，MAHai-tao1，FUShi-gen1（1.ChinaAcademyofSafetyScience&Technology，Beijing100029）（2.UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083）Abstract：Goafwaterdisasterisoneofthemajordisasterthataffectsthesafeproductionofmines.Throughtheapplicationofcomprehensivegeophysicalmethodstoidentifythescale,mininglocation,spatialformandfalling,water,etc.ofthegoaf,withdrillingtoexposetheemptyareaandverifytheorebodytocomparethesituation,indicatingthatthehighdensityresistivityandtransientelectromagneticmethodofdetectionofgoafhavegooddetectioneffect,caneffectivelyaquosityofgoafofthedetectionandevaluationtopreventtheoccurrenceofmajorwaterinrushforthelatepioneeringprojecttoprovideareliablebasis.Keywords：highdensityresistivitytechnique；transientelectromagneticmethod；goaf；waterdisaster中图分类号：X936文献标识码：A1.引言西石门铁矿矿区由于采矿历史较长，矿区长期遭受周围民采矿井的非法盗采。民采矿井掠夺式的无规划、无设计私采滥挖，遗留下了大量不明采空区。这些采空区形成之后，在有水源补给的情况下，长年累月逐渐汇集，使采空区大量积水，对矿山的安全生产形成了严重威胁。由于这些民采采空区开采很不规范，越层越界现象严重，分布无规律，地表无痕迹，积水范围、积水量无据可查，给矿山防治水工作带来了极大的困难。为了保证矿区安全生产和人民群众生命财产的安全，采用综合物探法对西石门铁矿老空水进行探测，进一步查清民采空区的开采规模、开采位置、空间形态及冒落、积水等情况，对有效防止老空区水害发生，具有重要的现实意义[1]。2.矿区地球物理特征测区铁矿为矽卡岩型磁铁矿床，矿区内产生相对高阻的岩石主要为灰岩及闪长岩。闪长岩是大面积分布的，厚度较大。电法剖面中的高阻区域若是灰岩引起的，则高阻区域是大面积分布的、连续的，高阻区内不会形成相对高阻“团块”或“孤岛”；闪长岩分布面积也较大，地形复杂，其形态是连续延伸的，电法剖面中的高阻区域若是由闪长岩引起的，则高阻区域应是连续的、相对均一的或形成较长距离延伸的“条带”。由于测区铁矿为矽卡岩型磁铁矿床，磁铁矿矿体呈现低阻特征，当铁矿体被采空后，短期内未充水时形成了一定空间的充气空间，造成采空区相应的地层电性与围岩的电性不同，呈高阻特征。当采空区上方岩层在重力的作用下发生塌陷变形，致使岩层破碎并出现裂缝连通了地面水系或地下含水层，地下水便沿着破碎岩层和裂缝向采空区汇集并溶解大量的电解质，在水解作用下，岩层中的钙、铁离子等呈现游离状态存在，因此充水采空区具有低阻高极化率的电性特征；由于跨落、断裂及离层现象的存在，围岩具有高电阻率、低极率的特征，因此当采空区或断裂带不充水时，呈现高阻特征，而采空区或断裂带充水时呈现低阻特征。所以该区存在利用瞬变电磁法和高密度电阻率法探测采空区水害情况的地球物理前提[2]。根现场和试验的岩层电性测试实验与钻孔剖面资料对照可知：表1矿区地球物理参数地层（岩石）电阻率（Ω•cm）上部第四系10～20奥陶系灰岩700～2000闪长岩500～3000磁铁矿0.1～10矽卡岩800～5000矿井水1~103.采空区探测方法与技术3.1瞬变电磁法（1）工作原理瞬变电磁法（简称为TEM）属于时间域电磁感应方法。该方法是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为主要物理基础。其探测原理是在发射回线上给一个电流脉冲方波，一般利用方波后沿下降的瞬时产生一个向地下传播的一次磁场。在一次磁场的激励下地质体将产生涡流，其强度大小取决于地质体的导电程度。在一次场消失后该涡流不能立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地表传播。由地表的接收回线来接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况。按不同的延迟时间测量二次感生电动势V（t）就得到了二次场随时间衰减的特性曲线，用发射电流归一化后成为V（t）/I特性曲线（图1）。接收机参考电缆发射线圈一次磁场接收线圈目标体发射机二次磁场图1瞬变电磁法探测示意图（2）测线布置分两个勘查区，即南采区和北采区。根据探测目的，测区设计参数勘探深度大于600m。瞬变电磁共布设311.73°方向剖面38条，单剖面长300～700m；剖面间距20m；点距20m。剖面总长23800m，坐标物理点1241个，试验物理点15个，质量检查点50个，总有效物理点1306个。3.2高密度电阻率法（1）工作原理高密度电阻率法是一种集电剖面和电测深于一体的电阻率法，是近年来发展迅猛的一种物探方法。它是一种研究岩石和矿石视电阻率的方法，以地下介质间的导电性差异为研究前提。其基本原理和常规电阻率法一样，通过供电电极A、B向大地供直流电，在测量电极M、N间测量电位差△U，进而求得该测点的视电阻率s（s=K△U／I）。根据实测的视电阻率s，反演出视电阻率断面图，再通过计算、处理、分析便可获得地层中的电阻率分布情况，判定矿山采空区的位置、深度和范围[3]。图2高密度电阻率法温纳装置示意图（2）测线布置探测采用温纳装置（图2），分两个勘查区，即南采场区和北采场区。在测区中选择重点区域内共布120个电极，布设高密度电法剖面3条，有效物理点5661个，剖面总长度3600米；线距50米、点距10米，单剖面长1200米。测区剖面先根据测区出水点的实际地面位置为中心布设高密度电法剖面1线，剖面方向为4°；向西侧50米为2线，剖面方向为12°；再向西侧50米为3线，剖面方向38°。4.数据处理及解释4.1瞬变电磁法数据处理及解释（1）数据处理瞬变电磁法观测资料是各测点各个测道的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，以便对资料进行解释。处理步骤主要分为三步：1）滤波：由于测区内人文活动频繁，存在较大的人文噪声，故在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波，消除噪声，对资料进行去伪存真。2）时深转换：瞬变电磁仪器在野外观测到的是二次场电位随时间的变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据进行一维层状反演解释，变换成电阻率随深度的变化。3）绘制参数图件：绘制各测线电阻率断面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况。瞬变电磁法视电阻率计算公式为[4]：320)(524ttVmqutuxs式中t为测道时间，m为发射磁矩，q为接收线圈的有效面积，V（t）是感应电压。视深度为反演的解释深度，视深度ht的计算表达式为：tttSutSItVAqh041)/))((163式中V（t）/I是归一化感应电压，A为发射回线面积，d(V(t)/I)/dt是归一化感应电压对时间的导数，St为视纵向电导。（2）资料解释33勘探线电阻率断面图（图3）沿原矿脉一线左侧呈现中低阻异常的特征，说明采空区导电能力较好些；至P600～P400测点间矿脉带处为高电阻率异常采空区域，因此处标高小于左侧，故而在原矿脉采挖后的空区内无积水存在，中低阻异常应为围岩中残余矿体连通，导电能力略强造成的。在P600～P400点H＝0～100m之间沿矿脉的高阻异常为民采采空区，已为揭露的地下工程所确定，在南区0米水平平面图上已明确标注。在P320测点处视电阻率等值线向下凹陷，说明在附近可能有低阻破裂带存在，会弱导含水，在采掘到附近时应有所重视。在P200～P400段H＝-150～-20m间视电阻率较低（最低10Ω·m），推测为磁铁矿体与矽卡岩体等的共同反映，但也可能是充水采空区。破碎带推测为充水采空区或磁铁矿推测采空区图3瞬变电磁法33勘探线成果图将33勘探线成果图扣合到与33勘探线瞬变电磁法成果图上，整理成33勘探线综合成果图（图4），从图中可以看到物探解释的成果与钻探得到的结果基本一致，只是由于矿体和含水空区造成的低阻异常很难区分，导致有一定的误差。P600～P400测点间矿脉带处为高电阻率异常采空区域，因此处标高小于左侧，故而在原矿脉采挖后的空区内无积水存在，中低阻异常应为围岩中残余矿体连通，导电能力略强造成的。在P600～P400点H＝0～100m之间沿矿脉的高阻异常为民采采空区，已为地下工程所确定，在南区0米水平平面图上已明确标注。在P200～P400段H＝-150～-20m间视电阻率较低（最低10Ω·m），在P320测点处视电阻率等值线向下凹陷，是低阻过渡带，由钻探结果可知，在P470～320段H=-150～10m之间沿矿脉为民采空区，而物探结果在P420～320段H=-60～-20m却显示为低阻，由此可推测这期间的采空区可能充水。工程揭露采空区推测矿体或充水采空区矿体破碎带图4瞬变电磁法33勘探线综合成果图4.2高密度电阻率法数据处理及解释（1）数据处理在采集到的数据中，会有一些随机干扰，对数据进行预处理，可以消除这些随机干扰与误差的影响。1）平滑处理：数据平滑滤波的方法有很多，有徒手平滑法、最小二乘平滑法、三点线性平滑滤波等。经过试验发现，三点线性平滑算子对采集结果进行平滑滤波算法简洁、可行、高效。2）畸变数据处理高密度电法施工中会有很多影响其应用效果的因素，如地下管线、河流沟谷等，都会使视电阻率发生畸变。认识这些存在的畸变因素的成因，就能通过在施工中改进野外工作方法或数据的畸变处理来改变、消弱畸变[5]。使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演。阻尼最小二乘的迭代公式如下：gJdFJJ''式中''fzfzfxfxF，fx为水平平滑滤波系数矩阵，fz为垂直平滑滤波系数矩阵，J为偏导数矩阵，J’是J的转置矩阵，u为阻尼系数，d为模型参数修改矢量，g为残差矢量。这种算法可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。（2）资料解释[6]1线中心对应于出水点地表投影位置，由温纳测深断面s影像图（图5）显示，剖面北端浅蓝、青色区域是第四系黄土以及卵石层较厚形成的低阻异常。粉红色区域空间分布范围较大，从本矿区勘探工程揭露的地层、岩性来看则主要是奥陶系灰岩及燕山期闪长岩的反映。下部分散的深红色团块的高阻异常区，推断主要反映了采空区分布的范围及位置。在剖面的中心位置8880m处，标高约负80米的地方有一低阻深蓝色团块，推测为采矿工程积水所致；位于50水平以下的低阻深蓝色团块，推断有以下原因引起：第一种原因就是采矿工程被后期