电磁法和高密度法在空区探测中的应用研究

容 宇

(云南驰宏锌锗股份有限公司会泽矿业分公司， 云南 曲靖市 654211)

0 引 言

下伏采空区直接威胁着上部矿体开采安全，如何有效探明下部采空区形态一直是研究热点。国内外采空区的探测方法多种多样，主要以工程钻探和地球物理勘探技术为主[1]。工程钻探技术很直观，可以直接查明地下地质体的实际情况，但是钻探毕竟只能控制一处较小的面积，对于工程量大，覆盖面积广的勘探区域则无法实现[2]。所以工程上更倾向于采用地球物理勘探为主，工程钻探为辅。物探技术主要包括重力勘探方法、电磁方法、地震勘探方法等[2-12]。

某铝土矿开采至今，由于常年不规范开采，致使下部既存在大型的因分段开采造成的采空区，又存在大量因民采活动造成的大小位置不详的采空区，且采空区的空间分布和状态十分复杂，严重威胁矿区建设与安全开采。本文以某铝土矿下伏采空区为研究对象，对各种空区勘探方式在该下伏采空区的适用性进行了研究，为某铝土矿的安全生产提供参考。

1 工程概况

该矿区属于地势较低的丘陵地带，从西往东地势逐渐递减，两边地势高于中部地区。海拔高度介于370 m和760 m之间，最大相对高差为390 m。地区坡度介于15°与45°之间，总体的坡度为25°左右。区内大部分地区被黄土所覆盖，形成了大片的冲沟，冲沟方向呈近南北向。区内大多地方缺水严重，雨季和旱季雨量相差极大。

该矿区地层为第四系地层，通过钻探调查及对地表情况的调查，查明了矿区地层由老到新分为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第三系、第四系。矿区的地质构造包括褶皱和向斜，矿区地层大致呈一个大的单斜，倾角20°～40°，倾向170°～220°，大致的倾角为25°～32°，沿走向不同地段略有变化。由于受到构造的影响，不同地层的产状有所变化，矿体的产状几乎与地层产状一样，呈一个巨大的单斜。

该区域同时附存煤矿层和铝土矿层，且赋存于较浅的位置，由于早期不规范开采，对该区域地下空间稳定性和采场作业安全造成重大影响。开采区域内空区的位置不明确、大小不确定，极大程度制约了地下深部铝土矿的安全开采，并对后续的地面建构筑物构成了威胁。不查明采空区的具体位置、形态和规模，地面建构筑物的稳定性同样无法得到保障。因此，有必要对乱采乱挖造成的采空区进行深入勘探，充分了解采空区所处的地质环境，探明采空区埋藏的深度、规模、形态，为矿区的安全生产和人民的财产安全提供保障。

该试验研究采用大地电磁成像(EH-4)法和高密度电法2种探测方法，并结合采空区上覆岩性的地质特征及地球物理特征制定可行的探测方案，为采空区的有效探测提供理论依据。

2 空区探测

采空区必巷道相连并通往矿井，并且由现场调研来看，大部分的采空区是由进路巷道形成的。所以，可以通过追踪连通开采矿井的巷道来确定采空区勘探的范围。

2.1 巷道条数探测

采用物探法探测采空区时，为了不漏掉矿井的每个巷道，在矿井口布置了4条测线，呈“井”字行分布，矿井口位于“井”字型测线中心(见图1)，以确保只要该矿井有巷道定会在测线Q1～Q4的探测成果图上，根据成果图上推断矿层上异常点的个数并结合调查资料即可判定该矿井的巷道条数。为了提高工作效率，在使用大地电磁成像(EH-4)方法探测时将“井”字型测线布置改为“口”字型测线布置，如图1中测线Ⅰ～测线Ⅳ(实线)，测线长均为6 m。高密度电法探测时为了达到足够的探测深度仍使用“井”字型测线，测线长均为150 m。

图1 测线布置

2.2 巷道走向和长度探测

如图1，若测线Ⅰ在n点处有一巷道通过，则矿井口中心o点和n点连成的射线方向即为巷道的走向。在离o点稍小于调查巷道长度处，横跨巷道走向再布置一条测线N1(用大地电磁成像[EH-4]方法探测时测线长20.0 m，用高密度方法探测时测线长150 m)，如果测线N1探测成果图的m点有异常反应，再沿巷道走向往前平移一段距离横跨巷道走向布置测线N2(用大地电磁成像[EH-4]方法探测时测线长30.0 m，用高密度方法探测时测线长150 m)，如果N2探测成果图上的巷道出现异常情况，则测线N2继续向巷道走向方向平移，直到测线N2探测成果图上完全没有巷道的异常反应时，巷道的长度就能基本确定。

2.3 采空区探测结果

分析大地电磁成像(EH-4)法的测试数据，绘制电阻率拟断面图，如图2、图3所示。采空区异常显示出高、低阻情况，为此，必须结合现场地理环境、地质情况和调查资料综合判断。一般情况为：低阻异常(见图2)可判断为巷道充满水或泥水；高阻异常(见图3)可认为巷道是空气充填或半充填。

图2 199#巷道异常呈低阻反应

图3 245#巷道异常呈高阻反应

探测过程中发现，大地电磁成像(EH-4)法对于埋深小于20.0 m的巷道有时效果不明显。对于此类埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探测，极距为2.0 m；而对于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地电磁成像法探测，极距、点距均为2.0 m。

已有地质资料显示，251#井空区埋深大于20.0 m，大地电磁成像法更为适合该空区的探测，为此采用该方法对251#井空区进行探测。探测过程中，在251#井拼接测线桩号4.0 m，高程464.6 m，发现一高阻异常点，判断为巷道通过处。在251×N1测线桩号8.0 m，高程465.4 m处，发现一高阻异常点，判断为巷道通过处，探测结果如图4所示。

图4251#井EH-4电阻率拟断面

再根据平面布置图，确定空区(巷道)方位，走向S34°W。探测所得原始数据经系统处理重构采空区三维图，埋深24.5 m，长度9.5 m，宽度约2 m(见图5)。

图5 251#井采空区平面分布

3 采空区治理

结合矿山工程实际，适用于矿山的采空区处理方法如下。

(1) 对于体量较小的采空区，可砌筑一定厚度的隔离墙，阻隔由采空区中围岩垮落所产生的冲击波、冲击气浪及飞石。

(2) 对范围较大的采空区，条件满足的情况下，采取构筑人工石柱的方式处理空区。采用该方式时，常结合锚索或锚杆对采空区进行局部加固等临时措施，构筑人工石柱对采空区进行处理。

(3) 当采空区体积较大且对上覆铝土矿开采影响较大时，可考虑采用充填材料对采空区进行充填处理，使充填体与围岩共同作用，以改变围岩应力分布状态，达到有效控制地压和防止地表塌陷等目的。

综上，对于大体积采空区应采用大采空区充填关键承载位置的方法进行地压处理，再对通往大采空区的巷道进行封闭，以防止大规模围岩崩落所形成的冲击波对生产带来的危害，即采用充填-封闭联合处理空区法。

4 结 论

(1) 针对初步选择的高密度电法和EH-4大地电磁法对采空区进行实际探测，对比2种方法实际应用过程中探测结果的差异。探测结果表明：对于埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探测，其极限距离为2.0 m；对于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地电磁成像(EH-4)法探测，极距、点距均为2.0 m。

(2) 结合空区赋存形态，最终确定利用大地电磁成像(EH-4)法对该矿的251#井进行了探测，确定了采空区的异常范围、埋深、形态及充填情况，探测结果为：采空区埋深24.5 m，长度9.5 m，走向S34°W，宽度约2 m，巷道内空气充填或半充填。

(3) 给出了采空区处理的主要措施，即充填-封闭联合处理空区法。