超低频地质遥感法在铁矿采空区探测中的应用研究

2010-01-22车志强朱登杰刘小飞朱立杰

中国矿业 2010年6期

车志强，朱登杰，刘小飞，朱立杰

(河南省地质测绘总院，河南郑州 450006)

铁矿是我国国民经济建设最重要的矿产资源之一。由于开采技术和地质环境治理措施不到位，以往的采空区大多未进行有效治理。有的采空区出现了大面积的地面沉陷，产生了地表裂缝，成为地质灾害之一，给矿区的安全生产、地面工程建设和人民生命财产造成严重威胁。因此，探明采空区的地理位置、埋深、现状，是采空区治理的关键因素。如何根据磁铁矿开采前后地球物理场的变化规律，选择合适的地球物理方法组合，是铁矿采空区探测的首要问题。利用超低频地质遥感法结合天然电场选频法，对林州市某铁矿采空区成功地进行了探测，经验证效果较好。

1 工程概况

濮阳市林州钢铁有限责任公司某铁矿，位于林州市北约18km，矿区占地面积约1.962km2。铁矿分布于闪长岩与大理岩接触带上，为矽卡岩型铁矿。部分采空区出现地面沉陷、裂缝等灾害现象，附近村民房屋出现不同程度的裂缝，庭院地面出现下沉，矿民矛盾一触即发。根据要求，用综合物探法查明采空区的位置、埋深、大小及是否有漏采矿体，为综合治理提供依据。

2 物探方法的选择

铁矿采空区的存在，破坏了地下岩层原有的结构和物理性质。当地下铁矿体存在时，磁测AZ值表现为高值异常，具有异常规则、规律性强等特征。在铁矿体开采后，因磁铁矿的不复存在而使磁异常消失，如有残留矿体则是磁异常降低，且异常不规则、规律性差。同时，在大地电磁层析法电分量值测量时，由于铁矿体的导电性较强，在铁矿体存在时，电分量为低值。而地下铁矿体开采后形成的空洞不导电，因此在电分量测量时，为电分量高值异常。这种铁矿开采前后地球物理场的变化，具备了采用超低频地质遥感法、天然电场选频法探测的地球物理前提。

2.1 超低频地质遥感法

超低频地质遥感探测仪是以大地电磁场为工作场源，利用不同介质电磁学性质的差异，测量地下岩性分界面对天然电磁场的反射信息，来解释不同深度的地质构造，达到解决地质问题的一种被动遥感电磁勘探方法，也可视为被动源大地电磁测量的一种新方法。

经典大地电磁波理论，最初假设场源为垂直反射地面的平面电磁波，大地介质为均匀水平状分布，故大地电磁波的变化规律服从麦克斯韦方程组、欧姆定律和阿契定律。其中，电阻率是描述介质电学性质的主要物理量。但受介质的结构、孔隙度、压力和密度的影响较大。超低频地质遥感探测仪，实际上是通过地面电磁波测量的遥感曲线的幅值变化的形态，来研究深部隐伏地质体的物性特征。所获取的遥感曲线，并不是介质的真正电阻率，而是介质电阻率、密度、孔隙度和压力的综合反应。可以简单地理解为视电阻率和视密度的乘积(Ω·m×g/cm3)。由平面电磁波在均匀大地介质的传播，可知随时间改变的电磁场在均匀各向同性大地介质中传播时，沿传播方向是谐变的，并且按指数规律衰减。介质的电阻率越低，信号频率越高，衰减的越快，这时场源将只集中在介质的浅部，即趋肤效应，因而穿透深度也称为趋肤深度。不同频率的电磁波穿透深度也不同，当频率很高时，电磁波可能只集中在第一层介质中，电磁场不受下伏岩层的影响。随着频率的减小，穿透深度增大，电磁场值将受到深部介质分布的影响。通过探测到的电磁波的频率信息，建立深度反演模式，通过综合分析曲线特征，就可解译深部地质体的岩性组合特征、重要地质界面、破碎程度、含水状况、断裂构造、矿产资源、瓦斯、采空区等地下信息。因此，超低频地质遥感探测是探测采空区的有效的物探方法。

2.2 天然电场选频法

2.2.1 工作方法

该勘探区村庄密集地形复杂，高压电线多，采用MN测量电极沿测线移动法。野外工作时，测量电极距采用10m。操作员将仪器稳挂胸前，手拿测量电极M，另一跑极员拿N极在前，再一人记录作曲线或由跑极员兼任。测得MN之间各频率对应的△U值，然后蛙跳式移动MN极再测△U值。按极距作图，以△U为纵座标，以测线为横坐标，依据探测目的层深度，作出四条电位差曲线。

2.2.2 工作原理

天然电场选频法，利用大地电磁场作为工作场源，测量大地断面的电分量的变化，是一种交变电流勘探方法。由于大地电磁场的场源频率范围较宽，可通过选择频率提高抗干扰能力；探测不同的深度，增加解释的可靠性。

这种电磁场在距场源较远的地方，可视为平面电磁波场，它垂直于地面，变化规律服从麦克斯韦方程组，仪器探测深度的理论公式为：

式中：ρ为岩层视电阻率(Ω·m)；f为频率(Hz)；h为探测深度(m)。

根据公式可知，用高频反映浅部物性，低频率反映深部的物性。这样通过选频，每个测点可得六种不同深度的电性参数(表1)。

表1 天然电场选频仪选用频率表

用电分量中电位差与电阻的关系，可以定性说明测得的异常是高阻还是低阻异常，这就是本方法异常曲线定性解释的基本原理。

为什么会出现电阻异常呢？因地下水与介质接触，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等离子，使地下水成为导体。相反，干燥地层导电性差，电阻大。由于电阻与电位呈正相关，所以只要测得地下电位异常，也就可推知电阻的异常情况。

3 资料分析与探测效果

超低频探测曲线资料和天然电场选频法解译与推断，遵循以地质为基础，从已知到未知的原则。在分析收集本区已知资料并结合工区地面地质调查的基础上，依据各测线测量结果，对各剖面进行定性分析，确定其对应地质层位，并利用超低频电磁波曲线和大地电磁场曲线变化特征，大致确定矿区内的空洞(采空区)等不良地质体在地面的投影位置、大小和形状。

具体方法是从本区岩石、采空区等的地球物理特征入手，与对应超低频探测曲线图和天然电场选频曲线进行对比分析解释。正常的超低频探测曲线图上，曲线幅值基本呈高低震荡波动分布：当有采空区存在时，曲线幅值将发生畸变，采空区顶部以上和底部以下曲线幅值较高，幅值变化幅度大；而采空区曲线幅值低，幅值变化幅度小，呈现曲线幅值低值段，探测曲线特征为低平。正常的某一频率的天然电场选频曲线图上，电磁场的频率曲线为一平直线，当有异常体存在时，探测曲线有明显幅值降低特征。研究物探曲线在纵向和横向上的变化特征，以确定采空区的性质，便是本次分析的理论依据。

3.1 超低频地质遥感法探测曲线分析

A-A′超低频探测剖面位于栗家沟村以南约150m，探测剖面为西北向。2、3、4号测点有采空区显示，曲线幅值低平。各测点显示采空区位置及特征详见表2。

表2 超低频探测曲线显采空区特征一览表

3.2 天然电场选频法探测曲线分析

天然电场选频法地球物理勘探剖面和测点的布置，与超低频地质遥感法重合。

超低频探测曲线与天然电场选频探测曲线分析表明，1、2、3、4、7、8、9号测点位于矿山开采区(据井上井下对照图，但不在房屋开裂区)，探测曲线具有采空区特征。根据曲线特征显示的采空区高度分析，推断为巷道或采空区。位于矿区附近村庄房屋开裂区内的4、7号测点的超低频和天然电场选频探测曲线，均有采空区显示。根据曲线特征显示的采空区高度分析，可能为巷道。根据房屋开裂调查， 4、7号测点的村民王启昌的房屋开裂较为严重，达到Ⅱ～III级。探测结果与房屋开裂情况吻合度较高。

综上所述，根据各测点的超低频和天然电场选频探测曲线采空区显示，说明矿山巷道已延伸至栗家沟村内，矿区附近村庄房屋开裂与矿山开采的关系较明显。两种物探方法有较高的吻合度，将其结合用于铁矿采空区调查是适宜的。

4 探测精度分析

本次物探采用超低频遥感地质探测法和天然电场选频法法两种方法，严格按照规范和要求，顺利完成了野外数据采集，取得了较丰富的野外第一手资料。共完成测线7条，测点102个，野外工作方法选择正确，工作程序合理，测线布置控制严密，原始资料准确真实。野外资料经过室内传输转换，反演成图，其成果达到了预期目的，其结论可做为本次勘查的辅助性依据。