高密度电法及瞬变电磁法在矿山开采区域中的应用

杨生文，徐 林，张风荣，戴晓明

（贵州煤田地球物理勘探有限责任公司，贵州 贵阳 550001）

随着矿产资源的大规模开采和利用，采空区地面塌陷和地表水沉降等一些地质问题也随之出现；加上矿山工程的大规模施工发展，矿产采空区的存在，严重影响人们安全和造成国家和个人的财产损失，我国是基建大国采空区的排查和治理更是迫在眉睫。

目前，对采空区的探测主要以物探方法为主，再结合地质、钻探的方法验证。物探方法常用的有：高密度电阻率法、瞬变电磁、地质雷达、地震、微动等方法，由于勘探深度、地形地质条件及周围环境的影响，每一种方法都有它的优点与缺点。其中，高密度电阻率法在采空区、地面塌陷区、岩体结构探测等方面应用最广泛，其显著特点是施工快捷、数据量大、分辨率较高、图像直观[1]，效率最高，但探测深度较浅，对地形条件要求较高，容易受地表高、低阻的屏蔽，影响勘探结果。瞬变电磁法具有勘探深度大、穿透高阻地层能力强、由于采用人工源方法，随机干扰影响小、受地形影响小等优点，由于对低阻体反应灵敏，是水文地质勘探的主要物探方法。其中大定源回线瞬变电磁法具有信号强度大，横向分辨率高等优点[2]，但浅部为盲区。因此，本文采用高密度电阻率法和瞬变电磁法对某矿山采空区进行探测，取得了较好的效果。

1 高密度电阻率法和瞬变电磁法

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法的工作原理，是在地表敷设不接地线框，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开后测量纯二次场，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈或地面中心探头测量二次涡流磁场或电场的变化情况，可用以研究地下的地电结构，由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而异常更直接、探测效果更明显、原始数据的保真度更高。

1.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种直流电法，是基于电测深和电剖面的高效的阵列方法[3]，原理上同电测深法原理相同。电测深法是在同一测点上逐次增大供电电极距，使勘探深度由小逐渐加深，于是可观测到测点处沿深度方向上由浅至深的视电阻率的变化规律。

通过对反映地电断面变化的电测深曲线的分析，可以了解深度方向上地质剖面的特征。高密度电阻率只不过是对电测深的加密，有密集的数据、更加高效直观的反映出地下地质体的电性特征，在野外工作简单、快捷，可以在相同的工区选择不同的装置测量，进行分析对比；是解决浅部地质问题最为重要的一种物探方法。

2 工程概况

2.1 项目简述

某研究矿区在矿产1矿界之内，以西有矿产2存在，以前相关单位对该地段地采空区专项评价报告显示：“区域北部块段矿层最小埋深大于纵向影响深度，采空区对拟建工程不产生影响，南部块段矿层最小埋深小于纵向影响深度，矿层开采对拟建工程可能产生影响”，但工程完工一个多月，发现桩号：K70+789.5至K70+996.5，从K70+896至K70+789.5段有四个基础桩基向小桩号沉降量逐渐增大，沉降量7cm～47cm。

施工单位和专家怀疑矿区施工基础可能存在矿产采空区，所以，对该地段采用物探和钻探相结合的办法，查明采空区的位置，以便消除安全隐患。

2.2 工区地质概况

测区位于四川盆地西南边缘，西靠高山地区，东临丘陵盆地区，区域的地形特征为西高东低，属中低山—丘陵地形。

调查区内的地层岩性较为复杂，主要出露以下地层：

第四系，主要是残积堆积物，厚0m～4m，成分为角砾、砂、粘土及其它松散岩体。富水性较好，由于其厚度薄，含水量少，对矿井充水影响较小。

侏罗系中统下沙溪庙组（J2xs）、侏罗系中统新田沟组（J2x），岩性为泥岩、砂岩互层，地表井、泉出露较多动态随气候变化。泥岩常成为隔水段，含水性较弱。

侏罗系中下统自流井组（J1-2z），岩性为泥岩、页岩夹灰岩，其中灰岩裂隙岩溶发育，为裂隙岩溶含水层，含水性较强。其间夹的泥页岩为相对隔水层，且距含矿资源系较远。

侏罗系下统珍珠冲组（J1z），岩性为粘土岩、石英砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩不等厚互层。富含碎屑岩裂隙水及孔隙水，砂岩风化及构造裂隙发育。

三叠系须家河组（T3xj），下部为灰白色厚层状中～粗粒长石石英砂岩；中部为灰、深灰色水云母粘土岩、炭质页岩，顶部为泥质砂岩及细砂岩。测区矿产开采矿层K9、K10d号矿层位于其中，大部分为可采矿层，厚度为0.25m～0.88m，平均矿层厚0.66m。

2.3 结果分析

本文将测线9、10线瞬变电磁法和高密度电阻率法的成果进行分析对比。本次的瞬变电磁法数据采集采用大定源回线装置进行，发射的线圈为400×600m，点距为10m。高密度电法点距为10m，主要布置在施工区域以北的主要下沉位置；矿区以北有矿区1、2的已知采空区，采集装置是通过探测一直采空区所确定。

如图1所示，9线瞬变电磁成果，地表及浅部为高阻，为该方法的盲区；在点位小号至470m，标高在250m至230m段，有呈横向的相对低阻异常，推断为采空区，由矿区1所采；矿区中轴线下方，有较明显的低阻范围，为金属构建干扰所致。结合高密度成果图，在点位小号至470m，标高在250m至230m段，有相应的地阻异常，但在纵向上异常不明显，效果较差。

图1 9线瞬变电磁和高密度电阻率成果图

图2所示，同样地表及浅部为高阻，为该方法的盲区；在点位小号至500m，标高在250m至230m段，有横向上的相对低阻异常，推断为采空区充水或泥的影响范围，为矿区1所采，在点位520m至大号方向，标高在260m至240m段，有相对低阻异常，推断采空区发育，为矿区2所采。结合高密度成果图，在点位小号至500m，标高在250m至230m段，有低阻异常，但相对于瞬变电磁法，分辨率较差，在纵向上不能区分；在点位520至大号方向，标高在260m至240m段，有团块状低阻异常，推断为矿山2采空区，与瞬变电磁法较吻合。

矿区及部分区域处于矿区1采空区之上，开采矿层为k10d和k9矿层，发育标高在250m至230m处；推断矿山施工区域的下沉是由采空区造成。

3 结论

矿山施工采空区的存在，呈低阻异常，初步推断为采空区充水；一些松软土层及充水裂隙也呈低阻异常，与采空区异常混淆，增加了解释难度。

对于瞬变电磁法和高密度电法：瞬变电磁法横向分辨率高与高密度电法，高密度电法纵向分辨率较好；高密度电法浅部分辨率较好，可信度高于瞬变电磁法，但随着深度的增加，分辨率变低，异常范围扩大。瞬变电磁法和高密度电阻率法综合利用，可以解决浅部至深部采空区地质问题。

地表金属、电缆等，对瞬变电磁法的影响较大，而高密度电阻率法对金属等抗干扰能力优于瞬变电磁法。