综合物探方法在采空区预测中的应用

周金全 蔡向阳

摘要：采空区塌陷是一种地质灾害，如何有效地通过勘查手段达到防灾目的。谷里铜矿开采区地面经历多次塌陷，进行了多次回填与整平，但还存在地质灾害隐患，需对该区域进行评估与验证。对于塌陷区采用瞬变电磁法（TEM）、微动探测等有效的综合地面物探方法，查明采空区范围、走向和倾向。结合以往资料，利用微动和瞬变电磁成果，综合研究两种方法的有效性。

关键词：微动勘测；瞬变电磁；采空区；综合物探

1.引言

南京谷里铜矿开采区地面历经多次塌陷，后期进行了回填与整平，但还存在地质灾害隐患，需对该区域进行评估与验证。对于塌陷区采用瞬变电磁法（TEM）、微动探测等有效的综合地面物探方法，查明区内潜在塌陷区等不良地质情况。利用这两种综合物探方法，有效地对谷里街道市民休闲广场地质情况进行了勘查，经过各种方法探测，对结果对比、分析，基本查明了区内采空区的范围、走向和倾向；并结合以往塌陷区域特征，对区内易塌区进行了分析。达到了本次勘查预期目的，为谷里街道市民休闲广场灾害评估提供了可靠的地球物理依据。

2.原理与方法技术

2.1微动探测

2.1.1方法原理

微动探测技术（The Microtremor Survey Method，简称MSM）就是从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速度结构，以探测地质构造的物探方法。通过S波速度在不同深度层次的高低变化，进行介质分层及构造识别。

本次微动测量点距25m，台阵布置为十字形两重圆台阵（图1）。

2.1.2数据处理

数据处理使用我单位自主研发的MicroSWP微动处理软件，采用F-K法进行数据处理。F-K法是在频率域进行面波提取的一种方法，首先对野外所采集的数据，通过付氏变换对原始数据进行带通滤波，以便去除各种干扰信号，再通过最大似然法等方法求取各个频率成分功率谱的分布图，此功率谱只是与空间坐标的单值函数，所以可以比较方便地求出相速度—频散曲线。

将面波频散曲线通过经验公式或者反演计算得到测点地下横波速度结构，再通过插值光滑计算，最终获得视S波速度—深度剖面图，以此进行地下介质分层以及构造识别。

2.2瞬变电磁测深

2.2.1方法原理

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM）是利用不同接地回线向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次电磁场发射间歇期间，用线圈接收由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过观测二次场空间和时间的分布规律，解决有关地质问题的时间域电磁法。

瞬变电磁测量点距12.5m，选取重叠回线方式进行测量。回线边长采用4匝3×3m（等效边长6m×6m）线圈，供电电流选用100A，供电脉宽选择20ms，采样率选择16ms，叠加次数15次。

2.2.2数据处理

数据处理采用仪器配套的CUGTEM处理软件。对瞬变电磁数据的处理主要包括原始数据滤波、建立反演文件及定性反演三大步骤，最后绘制相应的视电阻率剖面图。

瞬变电磁数据的滤波主要是为了消除畸变点，并对斜阶跃效应进行改正；建立反演文件的过程即是测量装置参数（即测量所用的装置的发射面积、接收面积、供电脉宽和采样率等）的录入过程；定性反演主要是选择反演算法及输出反演结果。

CUGTEM瞬变电磁处理软件提供了多种反演方法，输出的结果也有多种参数，纵向坐标可为采样时间或视深度。

3.分析推断与综合解释

根据塌陷区的大概范围，本次勘测布置了三条测线如图2。

微动3条剖面总体呈现特征为北西段（小号段）视速度较低，南東向（大号段）视速度较高。波速界面为北西向。

微动L1剖面在水平方向上以点号70为界（图3-a），北西侧（小号段）视速度较低，南东侧（大号段）视速度较高。在低速区点40～70号之间存在以低速异常。在高速区点号90埋深40m处也存在一低速较小的凹形异常。

微动L2剖面在水平方向上也以点号70为界（图3-b），北西侧（小号段）视速度较低，南东侧（大号段）视速度较高。在低速区点40～70号段，视速度呈以低速条带状异常。在高速区域点号90埋深50m处也存在一低速异常。

微动L3剖面在水平方向上也以点号70为界（图3-c），北西侧（小号段）视速度较低，南东侧（大号段）视速度较高。在低速区点30～50号段，视速度呈以低速条带状异常；在点号60埋深50m处也存在一低速异常。

3.2瞬变电磁测深

瞬变电磁剖面整体在20m以浅分辨能力弱。3条瞬变电磁电性特征基本相似，主要表现为两端电阻率较高，中间存在一北东向低阻条带状异常。

瞬变电磁测深L1剖面上，在水平方向上，30号点至65号点在埋深40m～225m处存在明显的北西向低阻条带状异常，在异常两侧电阻率较高（图4-a）。在点号90～100之间存在一中阻异常。

瞬变电磁测深L2剖面上，在水平方向上，40号点至70号点在埋深50m～185m处存在明显的北西向低阻条带状异常，在异常两侧电阻率较高，底部较L1线也高（图4-b）。在点号90埋深50m也存在一中阻较小异常。

瞬变电磁测深L3剖面上，在水平方向上，25号点至70号点在埋深50m～200m处存在明显的北西向低阻条带状异常，在异常两侧电阻率较高（图4-c）。由于L3电阻率异常段恰好穿过市民休闲广场，广场下电线等设备对瞬变电磁测深有一定干扰因素。

3.3綜合解释

3.3.1采空区圈定

从地球物理场特征来讲，完整的围岩与采空区所表现的地球物理参数有明显的差异。对于完整的围岩，波速反映为高速、电阻率反映为高阻，值的大小主要取决于岩性成分、结构等因素。对于采空区，其填充程度、充填物的性质等因素都会对波速和电阻率值有重要影响。

对于本区，不同的富集铜矿层经过开采后，铜矿内部逐渐形成很大规模的由空气介质填充的空间，当这些空间被填充后，与围岩形成明显的波速和电性界面。当S波遇到岩层采空区或破碎带时，波速明显减小；采空填充区处于水位以下，较其他围岩有较低的电阻率值，这是我们这次解释推断采空区的地球物理特征依据。

综合微动探测剖面和瞬变电磁测深剖面分析，采空区主要在微动探测剖面低速带和瞬变电磁断面低阻区。在区内主要特征为北东向，宽度范围100m左右，自南东向北西逐渐变深，其范围见图5。

3.2.2易塌区分析

收集以往塌陷资料，在L2剖面点号70～90区域发生过陷落。在L2剖面点号70～90段，在综合物探剖面表现为埋深50m为一高速高阻，下方呈中速中阻。在三条综合物探剖面中，L1剖面点号80～90段呈类似特征，但此区域在采空区范围外，结合以往地形图，可能是回填土引起（图6）。

4.结论与建议

4.1通过对谷里铜矿采空区微动和瞬变电磁勘探成果的综合分析，查明采空区走向为北东向，宽度范围100m左右，自南东向北西逐渐变深的特征。

4.2通过对以往陷落区的地球物理特征总结，对3条剖面类似特征进行了对比、分析，圈定出一处异常点，但此异常段在采空区范围外。

瞬变电磁对采空区低阻区有很好地反映，微动对于渗水、裂隙以及填充边界都有一个相对明确的显示，两种物探方法得到了很好的印证，且优势互补，可以作为塌陷区探测的有效手段。

参考文献：

[1]安徽地质矿产局.安徽省区域地质志[M].北京：地质出版社， 1987.

[2]李金铭.地电场与电法勘探[M].地质出版社. 2005年208-215.

[3]叶章，刘鸿福，等；高密度电阻率法在探测多层采空区中的应用[J].科技情报开发与经济. 2008（21）33-35.

[4]高彬颖.瞬变电磁仪在采空区的探测中的应用[J].山东工业技术， 2019（05）： 159-160.

[5]左仁广，汪新庆，等；煤矿防治水领域的应用[J].中国矿业， 2005（10）： 34-37.