空气型采空区的地球物理异常理论识别模型分析

2020-01-09张忠海

世界有色金属 2019年21期

张忠海，王润，郭凯，曹洋

（1.鞍钢集团矿业有限公司齐大山分公司，辽宁鞍山 114000；2.东北大学，辽宁沈阳 110819）

近年来，在经济利益的驱使下，各类矿产资源的开采范围和规模不断扩大。然而由于矿区的历史遗留问题或开采方式不当、后期处理不完善等原因，往往在矿山内形成了多处隐伏采空区。采空区作为最严重的矿山地质灾害之一，其存在打破了原有的应力平衡，易引起地面沉陷、地表裂缝等严重的地质灾害，对矿山的安全生产构成了严重的威胁[1]。因而对采空区精准探测技术方法进行研究，是保障矿山生产安全的重要措施，具有重大的经济效益和社会效益。

现今国内外采空区的探测主要以对采矿情况的调查为出发点，通过地球物理勘探、工程钻探、水文测试、变形观测等手段对采空区进行探测[2，3]。高密电阻率法作为电法勘探的一种，在采空区探测中广泛使用，并取得了良好的应用效果。对于采空区来说，其规模大小、空间分布位置以及充填介质均对其异常特征的识别存在影响。因此，本文采用正演模拟方法对空气型采空区的地球物理异常理论识别模型进行分析。

1 高密电阻率法采空区探测基本原理

高密度电阻率法简称HDRM，其在原理上与常规电阻率方法完全相同，是以岩（矿）石之间的电性差异为基础，通过观测和研究与这种电性差异有关的电场分布特征和变化规律，以此来探明地下地质体的分布情况[4，5]。高密度电阻率法探测装置类型较多[6]，包括温纳装置、偶极装置、微分装置、二极装置、四极装置、单边三极装置、斯龙贝格装置等[7]。上述装置均可应用于数据采集工作，但由于探测区域地形、地质特征、地球物理特征、人为因素等条件限制，在野外工作时应根据实际情况选择合适的装置类型进行探测，确保数据采集的准确性。本文选用采空区高密度电阻率法探测中常用的温纳装置进行研究分析。

对于温纳装置，其装置系数K=2na，MN=AM=NB=na（A、B为供电电极，M、N为测量电极，n为隔离系数，a为电极极距）。测量时，MN=AM=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着MN、AM、NB增大一个电极间距，逐点依次向右移动，得出另一条剖面线；这样不断的扫描下去，最后得到倒梯形的电阻率剖面图[8]。

2 空气型采空区地球物理异常理论识别模型

建立空气型采空区地球物理异常理论识别模型，并采用温纳装置进行分析。空气为不导电的绝缘体，显示为高阻特征，对空气型采空区电阻率设定为10000Ωm；对模型背景电阻率设定为300Ωm，保证采空区与赋存位置周边围岩之间具有明显的电阻率差异，以进行空气型采空区的理论识别模型相关研究。同时，设定电极数为60，电极间距为5m。设定采空区为边长b=15m的正方体，水平范围在145m～160m之间，采空区初始埋深为h=15m，并根据h:b=1:1、2:1、3:1、4:1的比值关系逐渐增大采空区埋深，模型如图1（e）所示。利用RES2DMOD软件对空气型采空区地球物理异常理论识别模型进行正演计算，计算结果如图1所示。

图1 空气型采空区地球物理异常理论识别模型

3 空气型采空区地球物理异常分析

根据计算结果，在温纳装置电阻率剖面图上，从上而下采空区埋深（h）：采空区边长（b）分别为1:1、2:1、3:1和4:1，空气型采空区显示为高阻异常特征，且当在电极间距、采空区规模、采空区与赋存位置周边围岩之间电阻率差值不变的情况下，在不同埋深情况下对同一采空区显示不同的高阻异常特征。

（1）当h:b=1:1时，即采空区埋深为15m，计算结果如图1（a）所示。在电阻率剖面图上可识别出明显的高阻异常特征；并以电阻率最高值的等值线圈定采空区，采空区位于水平范围137.5m～167.5m之间，垂向范围10.5m～20.5m之间，其高阻异常显示范围与模型采空区设定范围基本吻合，对空气型采空区模拟效果明显。

（2）当h:b=2:1时，即采空区埋深为30m，计算结果如图1（b）所示。在电阻率剖面图上可识别出小部分高阻异常特征；并以电阻率最高值的等值线圈定采空区，采空区位于水平范围120m～180m之间，顶板埋深为33m，无法识别出采空区具体形状及其底部边界范围，对空气型采空区模拟效果变差。

（3）当h:b=3:1时，即采空区埋深为45m，计算结果如图1（c）所示。在电阻率剖面图上仅可识别出小部分次高阻异常特征；并无法以电阻率最高值的等值线对采空区进行圈定，无法识别出采空区具体形状及其分布范围，对空气型采空区模拟效果已经失真。

（4）当h:b=4:1时，即采空区埋深为60m，计算结果如图1（d）所示。在电阻率剖面图上无高阻异常特征显示，电性反映均匀，表现为地下均匀地质体特征。空气型采空区探测模型已超出有效探测深度范围，未探测到采空区。

综上所述，在温纳装置上，空气型采空区显示为高阻异常特征，且在有效探测深度范围内高阻异常特征显示明显。当h:b=1:1时，模拟效果较好，可准确识别出采空区具体位置及其分布范围；随着比例系数的逐渐增大，采空区埋深逐渐加深，对采空区的分辨率逐渐降低，采空区在水平方向上异常显示范围逐渐扩大，同时，无法准确识别出采空区底部边界范围；当h:b=4:1时，采空区埋深超出有效探测深度范围，无法识别出采空区，显示为地下均匀地质体特征。