地球物理探测技术在采空区勘察方向的应用研究

潘大伟 于克臣 袁中凡

摘要：采空区是由于采矿后留下的空场，由于采空区的存在，破坏了原有的应力平衡，从而可能引发采空区的塌陷，从而引起一系列工程地质问题。目前，采空区的勘察手段主要有以下手段：地质调绘、地质钻探和物探，传统的地质调查、绘图包括地质钻探，工作效率较低。近些年以来，随着科技的速发展，采用物探为主的采空区勘察方法得到了广泛应用，同时为了提高勘察的精度和效率，多种物探技术的综合应用，提高空区解译的准确性。本文以山东一金矿浅地层采空区勘察项目来说明物探技术在该项目的应用。

关键词：地球物理探测技术;采空区勘察;应用

根据地质资料分析，物探探明的深度应在10～200m之间，鉴于该地区的地质结构以及工作任务，本次工作拟选用瞬变电磁法为主，高密度电法和可控源音频大地电磁为辅的物探手段。测线方向设计为东西布设，共30条测线，点距为5m—10m，物理点1500个。

1、方法技术

（1）瞬变电磁法

工作原理：瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。具体工作就是在地表敷设不接地线框或接地电极，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在地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、接地电极或地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，用以研究浅层至中深层的地电结构，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。

工作装置及采集参数试验：根据本次勘探的地质任务、精度要求以及区内地形、地质条件，确定本次野外数据采集选择瞬变电磁法的中心回线装置，该工作装置具有较明显的优势。野外施工中选择如下工作参数，能够满足勘探任务的需要。发射线框：300m×300m;增益：4×4;電 流：10-14A;积分时间：不小于90s。

（2）高密度电法

工作原理：是基于垂向直流电阻率测深与直流电阻率剖面测量两种方法相结合的基本原理，通过高密度电法测量系统中的软硬件，控制在同一条多芯电缆上布置连结的多个电极，使其自动组成多个垂向测深点或多个不同探测深度的探测剖面，根据控制系统中选择的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测剖面的深度顺序，逐点或逐层探测，实现了自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储。自动生成各测深点及各剖面层的曲线或整体剖面图像。

结合以往在该地区的成果和经验，高密度电法剖面的布设点距为5米，供电延时100毫秒;测量通道为120道，采用温纳装置，温施层为20层。自动测量自电SP、电位差VP、电流IP以及计算视电阻率ρs值。

（3）可控源音频大地电磁

工作原理：利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法，该方法是二十世纪八十年代末才兴起的一种勘探地球物理新技术，它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式。通过调整供电频率的高低，得到不同深度的地电信息，从而达到垂向频率测深的目的，根据所测视电阻率特征，了解地下地质体的产状和特征，分析推断构造带空间分布形态及地层岩体之间接触关系。

本次瞬变电磁工作与CSAMT工作均使用V8电法工作站， V8有3个磁道和6个电道。磁道既可以连接标准的磁棒也可以和1到3个轴向的TDEM探头连接。V8还可以单机工作（通常用来做AMT和MT）。

高密度工作采用的仪器为重庆地质仪器厂所生产的DZD—6A多功能直流电法仪、DUK—2A多路电极转化器。该套仪器采用全数字化自动测量，可对自然电位、漂移及电极极化进行自动补偿;高密度测量模式时可直接显示十四种以上的布线工作模式;在DZD—6A单机模式时可直接显示九种电极排列方式;同时工作时可实时显示曲线等。

2、物探资料解释推断

充分利用收集到的地质资料和现场采集的瞬变电磁法资料，结合调查访问结果，综合分析，以提高资料解释的精度和准确性。

在地球物理特征和试验成果的基础上进行资料的解释，表现在成果图上有如下特征：岩矿石采空后，上覆地层中裂隙广为发育，地层变得松散失水，甚至坍塌，使得地层的导电性明显变化。采空区内若无积水，电阻率剖面图上表现为局部的高阻异常，采空区内若积水电阻率剖面图上表现为局部的低阻异常。考虑到测区内的矿井均处于正常运作状态，推测本区内主要采空区在视电阻率断面图的表现形态多为高阻。

3、结论

工作共完成30条瞬变电磁法剖面，累计完成物理点1500个，其中质检点80个，高密度测量物理点480个，可控源音频大地电磁物理点24个。通过对资料进行整理成图和地质解释，基本查明了工区范围内的异常情况。结合物探资料，在工作区域范围内发现的异常区为采空塌陷或裂隙发育，推测了采空塌陷或裂隙发育区位置。

4、建议

物探是一种间接测试手段，在野外施工中，存在不可抗干扰因素较多，可能存在一定误差，应结合前期掌握的地质资料，给予适当校正和补充。通过物探工作，结合地质资料分析推断了勘察区域内异常区分布范围及深度，建议布置钻孔进行验证，为下一步工作提供依据。 鉴于物探方法的局限性和多解性，所测得的异常规模与异常的真实规模会有一定差距。采空区的勘察方法很多，但是每种方法都有一定的适用性，同时采空区的地质条件、埋深和地形条件等特征也是影响采空区勘察技术选择的基本条件。所以研究空区的地质和地球物理特征及各物探方法的适用性是非常必要的。

参考文献：

[1]薛国强，潘冬明，于景邨 .煤矿采空区地球物理探测应用综述[J]. 地球物理学进展.2018（04）.

[2]王丹平.物探方法在煤田采空区探测中的应用研究[J]. 科技展望.2015（02）.

（作者单位：金建工程设计有限公司）