等值反磁通瞬变电磁和微动法在内蒙古某萤石矿采空区探测中的应用效果浅析

蔡有良,吴文贤,彭清华,李怀远

(1.成都理工大学 管理科学院，四川 成都 610059;2.中国地质调查局 应用地质研究中心，四川 成都 610036;3.成都理工大学 地球科学院，四川 成都 610059)

1 引 言

近年来，全国因采空区塌陷诱发的各种事故时有发生，造成了巨大的社会安全隐患和人民生命财产损失[1]。目前采空区作为影响矿山安全生产的主要危害源之一，存在巨大的安全隐患，研究如何有效解决采空区的勘查问题，对保护人民财产及人身安全具有重要意义和社会价值[2,3]。目前，国内采空区探测主要依靠传统的钻探工程，未能发挥地球物理方法技术的优势[4-6]。

瞬变电磁法利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，以激励探测目标体感应二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应[7]。与传统的瞬变电磁法不同，等值反磁通瞬变电磁法是采用双线圈源建立一次场零磁通面来消除一次场对接收线圈的影响，接收地下纯二次场响应，以达到消除“盲区”的目的[8-10]。有效缩短了关断时间，减少了浅层数据的失真，提高了系统的动态范围，保证了数据精度和信号带宽，传感器采用超低噪声放大器，降低了系统噪声，可有效压制外界干扰，在溶洞、采空区等灾害地质调查中应用广泛[11,12]。

微动探测是指基于台阵观测的天然场源微动信号中采用数据处理与分析技术提取面波(瑞利波)频散信息，再通过瑞利波反演技术获得地下介质S波速度结构的地球物理勘探方法[13,14]。其采用天然源的绿色环保特性，具有抗电磁干扰、振动干扰能力强，仪器设备轻便、施工方便等优势，适用于土石界面、岩溶、空洞、断裂构造等的探测，且取得了一批具有工程应用价值的成果[15-20]。

本文采用等值反磁通瞬变电磁法和微动探测对内蒙古自治区包头市某萤石矿采空区进行探测，通过10条瞬变电磁法剖面测量和典型剖面微动探测工作，查明了采空区形态、厚度、埋深等空间分布特征，为后续治理及储量核实提供基础参考资料。

2 研究区概况

2.1 地质概况

研究区大地构造单元属华北地台狼山—白云鄂博台缘坳陷东端，经历了长期复杂多期次的构造活动，区域内构造活动频繁，岩浆岩体发育。区域内出露的地层有中元古界白云鄂博群、志留系上统—泥盆系下统、石炭系上统、侏罗系中统及第三、第四系地层，见表1。萤石矿体赋存于北东向破碎带中，围岩为晚二叠世似斑状钾长花岗岩。

表1 地层岩性特征

2.2 地球物理特征

本区主要出露第四系黏土和晚二叠世似斑状钾长花岗岩。区内岩、矿石电性特征统计结果见表2。本区黏土电阻率平均值最低，为148 Ω·m；其次为地表填土、碎石土，电阻率平均值为253 Ω·m；晚二叠世似斑状钾长花岗岩电阻率平均值最高，达721 Ω·m，但在凹地采集的风化钾长花岗岩的电阻率平均值明显降低，仅357 Ω·m。通常地层完整，其横向上电性相对均一、差异较小；但随着地层破碎和积水，其与围岩存在明显的电性差异；当因采矿引起上覆地层塌陷时，电阻率会迅速变化，且充水采空区的电阻率明显低于同一层位岩层，具备开展电法勘探的前提。

表2 研究区岩石电性参数

3 方法试验效果分析

3.1 等值反磁通瞬变电磁测量

数据采集使用湖南省五维地质科技有限公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统，装置类型为等值反磁通中心回线观测，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场。点距2～4 m，发送频率2.5 Hz，主机电源电压：11.5～12.5 V，发射电流10 A以上，关断时间65 μs，采集时间82.54～100 000 μs，叠加次数大于300 次，重复观测2次。对采集数据进行废点剔除、编辑、反演后得到剖面的电性分布特征。

3.2 微动勘探

采用湖南省奥成科技有限公司生产的W3PU-3C微动勘探系统，连接主频为2 Hz的垂直分量宽频带拾震器(或称检波器)进行数据采集，选用性能和参数均相同的器件，并系统化地调试各通道参数，保证各道频率特性曲线一致，确保各通道具有良好的一致性；采用32-bit高精度ADC(模拟数据转换器，Analog Data Converter, ADC)，降低仪器自身的量化噪声，提高仪器信噪比，获取的微动信号更加精确；通过接收GPS卫星的标准时间信号自动实时地进行内部时钟校正，同步误差小于15 ns，在长时间观测中也能确保各数据采集器的同步性。布设方式采用三重圆观测台阵，如图1所示，圆心处布设1台数据采集器，圆周上布设3台数据采集器。共完成微动勘探物理点12个，施工采用皮尺布置台阵。台阵采用边长为30 m的三重圆观测台阵。在利用SPAC法(空间自相关法，Spatial Auto Correlation,SPAC)时，圆形观测台阵的边长称为观测边长3P，最大探测深度H与观测边长3P之间通常存在以下关系：H=(3～5)3P。采样时要求采样时间大于20 min，当频散曲线形态趋于稳定时，即可终止采集。微动单点探测目的是获得测点下方地层介质的横波速度及界面深度。

3.3 试验结果

3P0线等值反磁通瞬变电磁(图2)推断采空区位于160～200号点段，标高1 385～1 445 m，视电阻率值范围为100～400 Ω·m，呈低阻特征，与已知萤石矿体产状吻合；其西侧为陡立中高阻异常，顶部视电阻率值为550 Ω·m的中高阻异常凸起，底部以低阻与中高阻梯度带，因此采空区西边界、顶板、底板均可划定；因其东部恰为构造破碎带引起的低阻异常带，未有明显异常边界或凸起等变化，主要参考矿体东边界为采空区东边界来划定。深部视电阻率大于600 Ω·m，且较为连续，推测为花岗岩体的反映。180～240点段，标高1 385 m以浅，整体为低阻特征，低阻带倾向东南，倾角约75°，推测为控矿构造F1，地表水渗透和地下水上涌，导致构造破碎带整体显示为低阻特征，而萤石矿体恰位于F1构造带的西侧，符合控矿条件。15 m以浅，电阻率值<150 Ω·m，为该断面图中视电阻率值最低,视电阻率等值线呈水平层状分布，与下覆较完整的花岗岩体及构造破碎带的视电阻率等值线之间具有明显的垂向突变特征，推断为花岗岩风化层，且东侧比西侧厚。

图2 萤石矿区3P0线等值反磁通瞬变电磁反演断面

3P8线等值反磁通瞬变电磁图3(a),推断采空区位于160～192号点段，标高1 345～1 440 m，视电阻率在100～400 Ω·m，呈低阻特征，与已知萤石矿体产状吻合；其西侧为陡立中高阻异常，顶部为视电阻率值为550 Ω·m的中高阻异常凸起，底部为电阻率梯度带，因此采可划定空区西边界、顶板、底板；因其东部为构造破碎带引起的低阻异常带，未有明显异常边界或凸起等，参考矿体东边界来划定采空区东部边界。深部视电阻率大于600 Ω·m，且较连续，推测为花岗岩体的反映，且与3P0线特征一致。200～280点段，标高1 405 m以浅，整体为低阻特征，低阻带倾向东南，倾角约75°，推测为控矿构造F1及采空工程活动影响区，地表水渗透和地下水上涌，整体显示为低阻特征。20 m以浅的视电阻率等值线呈水平层状分布，与3P0线推断花岗岩风化层一致。

图3 萤石矿区3P8线综合物探成果

根据3P8线微动勘探图3(b)，推断80 m以浅的采空区位于170～190号点，视横波速度100～440 m/s，呈低速特征，微动勘探和等值反磁通瞬变电磁法推断的采空区范围吻合。

4 综合分析

3P0勘查线226点施工验证钻孔ZK0-1未见采空区，而在120.9 m深度处见厚大萤石矿体，为本次采空区东部边界的划定提供了依据；192点施工验证钻孔ZK0-2在43.8 m处见采空区，表明根据瞬变电磁视电阻率断面图推断的采空区分布较合理，由此进一步细化了采空区的顶板、底板及西边界依据。

由于采空区受充水及破碎的影响呈低阻特征，围岩岩体呈高阻特征，物性差异较大，低阻异常反映明显。通过10条等值反磁通瞬变电磁剖面，视电阻率在横向上总体呈中间低两端高的“U”型电性特征，反映了采空区的基本特征。根据剖面低阻带分布特征，推断的采空区集中分布于各剖面170～210号点，视电阻率100～500 Ω·m，距离地表发现矿体南东侧约30 m范围内、埋深20～90 m，与地表探槽及钻孔中圈定的矿体位置相吻合。

采空区西侧为陡立中高阻异常，顶部视电阻率值为550 Ω·m的中高阻异常凸起，底部为高低电阻率梯度带，因此可划定采空区西边界、顶板、底板；由于东部构造破碎带也会引起低阻异常，主要参考矿体东边界划定采空区东边界。深部视电阻率大于600 Ω·m，且较为连续，推测为完整花岗岩体的反映，由此推测采空区分布特征见图4。

图4 萤石矿区推断采空区平面分布

5 结 论

钻孔验证结果表明，等值反磁通瞬变电磁法及微动勘探剖面测量两种方法均能反映采空区形态、厚度、埋深等空间分布特征，为采空区边界的详细划定提供依据。等值反磁通瞬变电磁法仪器轻便，采集时间短，受地形限制小，大大提高了野外的施工效率，是采空区勘查中物探方法首选；不足之处是微动勘探在草原、戈壁等相对震源较少区采集数据较慢，信号差。

通过采空区的划定，可进一步为该矿区萤石矿储量计算及分布情况提供参考依据。