井下铁矿充水型采空区探测技术研究

田迎春

（鞍钢集团矿业弓长岭有限公司井采分公司，辽宁 辽阳 111007）

铁矿石资源作为一种人类最早开发利用的金属矿产资源之一，在不同的历史时期进行了不同程度的开发利用，特别是随着生产力水平的不断提高，逐渐由散乱小的井采和坑采转变为大规模露天开采和井下开采[1]，尤其随着近几年环境保护的迫切需求，大规模井下开采将成为未来矿产资源的主要开发利用形式。但这种大规模的井下开采不同于传统意义的井下开采，是高度机械化、智能化和规模化的绿色开采方式，涉及到对整合开发前期无序井下开采方式留下的采空区安全处理[2]。由于此类采空区处于潜水面以下，基本都充满水，危险性大，无法实地进入测量[3]，且在开采过程中易诱发涌水和突水等灾害，迫切需要运用一种非接触且穿透性强的探测技术手段进行充水型采空区探测。

而充水型采空区具有低电阻率的特征，可简化为一种典型的低电阻率地球物理异常体，则绿色无损的地球物理勘探技术手段便是其首选，国内外优选的地球探测技术方法为瞬变电磁法，充分利用了其对低阻体的敏感性技术特征。为此，本文以井下铁矿充水型采空区为研究对象，基于瞬变电磁法的探测技术原理，采用澳大利亚最新研发的TerraTEM为地球物理探测应用研究数据采集设备，开展井下铁矿充水型采空区的现场探测技术应用试验研究。

1 井下铁矿充水型采空区探测技术基本原理

瞬变电磁法是电磁法的一种，具体属于时间域电磁法，简称TEM，也是近几年快速发展起来的一种高精度地球物理探测技术方法。在探测原理上，瞬变电磁法主要利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流，在一次脉冲磁场的间隙期间，涡旋电流产生的二次磁场不会随一次场的消失而立即消失，此时利用线圈或接地电极观测二次磁场，主要测量二次磁场产生的感应电动势V与时间t的变化关系，得到二次场随时间衰减变化的特性曲线，再把发射电流归一化后成为V（t）/I特性曲线，从而确定地下导体的电性分布和空间形态。值得一提的是发射磁场产生的涡旋电流呈环状随时间向外和向深部扩散，此等效电流好像是从发射线圈中吹出来的“烟圈”，该过程又被地球物理学家形象的称之为“烟圈效应”。

2 井下铁矿充水型采空区探测技术方法

本文中的瞬变电磁法探测设备采用澳大利亚进口的TerraTEM，该设备数据采集可以设置更多的时间门窗口区间（70个～140个），在单位时间内数据信息采集分辨率高，外加配置快速增强的关断时间装置，可以采集浅层探测数据，减小浅部探测盲区的存在（图1）[3]。

根据不同的场地条件和探测深度要求，采空区探测装置主要采用多匝的重叠小回线装置（5匝～50匝），回线线圈边长在2m～8m之间变化，发射线圈电流可控制在3A～6A，关断时间随线圈匝数在0.10ms～0.90ms，并可以在8次～512次叠加中压制外部干扰，特别适合在人文干扰复杂区开展探测工作，这也是时间域瞬变电磁法的一个探测技术优势。而对于采集到的瞬变电磁法探测数据，主要通过数据整理、预处理、视电阻率转换和时深转换，最后绘制视电阻率等值线剖面图，结合矿山地质、水文地质和物性等资料进行分析研究和解译，同时开展相应的验证工作，修改完善和提高探测目标区的地球物理探测精准度。

3 探测应用研究区概况

充水型采空区探测应用研究区位于我国著名的铁矿产区-鞍本地区，该区为典型的鞍山式富铁矿床，又称BIF型富铁矿床，其赋矿地层主要为太古界鞍山群茨沟组，茨沟组为变质岩系，其由老到新分别为下部角闪岩层、下含铁层、中部钠长变粒岩、上含铁层和硅质岩层组成。在研究区地表以下一定深度空间内存在采富弃贫遗留的老旧采空区，也存在以前无序开采和滥采滥挖形成的采空区。由于处在地下潜水面以下而处于充满水状态，容易造成各类涌水和突水灾害事故。

4 充水型采空区探测实例研究

4.1 充水型采空区探测技术装置和参数设定

据零星的已知资料推断，该区采空区埋深在100m左右，不同于浅部60m以内的采空区探测。因此，为了达到探测深度和精度，采用发射回线匝数在20匝以上，接收回线匝数在10匝以上，而回线线圈边长采用4m。发射电流控制在5A，采用了256次数据测量叠加消除外部数据干扰，同时设置50Hz工频干扰滤波，压制和消除各类工频电磁干扰。数据采集时间点窗口设定为89个，可以满足该深度内的探测要求。

图1 井下铁矿充水型采空区瞬变电磁法探测装置示意图

4.2 充水型采空区探测数据采集与处理

本次探测应用研究共采集了47个数据点，获取数据点的测线长达180m以上。对于采集到的充水型采空区的瞬变电磁法数据，主要采用以下的数据处理流程：第1步，导出探测数据，进行数据整理和数据预处理，剔除数据异常点，剪切和数据滤波增强处理，消除各类因素导致的数据畸变；第2步，根据充水型采空区的地电特征，建立反演模型；第3步，对探测处理数据进行视电阻率反演计算和时间－深度转换，绘制视电阻率值的剖面图件；第4步，结合探测区已有各类数据资料，进行地电异常解译（图2）。

4.3 充水型采空区探测解译与成果验证

本文的充水型采空区探测成果见图2，共圈出4处地球物理异常区，埋深在80m～120m之间。其中第1处异常区和第2处异常区为已知存在的巷道式充水型采空区，说明了本次探测试验成果的有效性。对于未知的第3处和第4处的低阻异常区，结合已知探测研究区的零散矿体分布规律资料和有关的地质-地球物理异常研究成果，可推测为充水型采空区。其中第3处已经钻探验证，在100m深度出现充满水的巷道式采空区，可对矿山隐患灾害点提前预警。第4处采空区异常因场地原因需做进一步的工作。

研究表明明瞬变电磁法可以进行井下铁矿的隐伏充水型采空区的探测，可为井下铁矿山的安全生产提供可靠的数据成果和安全技术支撑。

5 结论

（1）井下铁矿充水型采空区可以采用瞬变电磁法进行非接触无损的精准探测，可对矿山隐伏灾害点探测预警。

（2）依据不同埋深的探测目标体，瞬变电磁法可以采用多匝重叠小回线装置提高探测精度和深度，识别小规模、大深度的采空区。

图2 井下铁矿充水型采空区探测成果图