基于高密度电阻率法的多层采空区探测研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月基于高密度电阻率法的多层采空区探测研究张忠政1，闫迪2（1.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司 露采分公司,辽宁 辽阳 111007；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）摘要：针对露天金属矿山在规模化开发利用中遇到的多层充水型采空区精准探测的技术难题，选取鞍山-本溪地区某典型的BIF型深凹露天铁矿为对象，以识别其内发育的多层充水型采空区异常为出发点，以多层充水型采空区的地球物理特征为依据，采用高密度电阻率法为探测技术手段，选用抗干扰能力较强的温纳装置，在露天铁矿+128 m采矿平台开展探测应用研究。研究成果表明：高密度电阻率法识别出了2处由采空区引起的地球物理异常，根据工程资料，其异常埋深分别在1030 m和2143 m之间，并确定为充水型采空区；高密度电阻率法对一定深度空间内的多层充水型采空区引起的异常具有较好的识别精度，对采空区顶板的裂隙发育程度也具有较好的识别效果。关键词：露天铁矿；多层采空区；高密度电阻率法；温纳装置；探测中图分类号：P631.3文献标志码：B文章编号：员远苑员原怨愿员远（圆园23）03原园园06原园4Research on detection of multi-layer goaf based on high-density resistivity methodZHANG Zhongzheng1,YAN Di2（1.Open-pit Mining Branch,Ansteel Group Mining Gongchangling Co.,Ltd.,Liaoyang 111007,China;2.School of Resource and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China）Abstract:Aiming at the technical difficulties of accurate detection of multi-layer water-filled goaf encountered in the large-scaledevelopment and utilization of open-pit metal mines,a typical BIF-type deep-concave open-pit iron ore in Anben area wasselected as the object to identify the abnormality of the layered water-filled goaf as the starting point.Based on the geophysicalcharacteristics of the multi-layer water-filled goaf,the high-density resistivity method is used as the detection technology,and theWenner device with strong anti-interference ability is selected.In open-pit iron mine+128 m mining platform,we carry outdetection application research.The research results show that the high-density resistivity method has identified two geophysicalanomalies caused by the goaf.According to the engineering data,the abnormal burial depths are between 10耀30 m and 21耀43 mrespectively,which are determined to be water-filled types goaf.The high-density resistivity method has good identificationaccuracy for the anomalies caused by the multi-layer water-filled goaf in a certain depth space,and also has a good identificationeffect on the development degree of cracks in the roof of the goaf.The safe mining of deep concave open-pit iron ore in the areaprovides theoretical basis and data support.Key words:open-pit iron mine;multi-layer goaf;high-density resistivity method;Wenner array;detection移动扫码阅读我国矿产资源行业在开发利用的早期，由于受到当时经济条件和技术水平的限制，很多地区经历了无序开采阶段，在地表及其地下一定深度空间内遗留了大量采空区，这种现象在铁矿资源开发利用过程中表现的比较突出，特别是在BIF型铁矿富集的华北克拉通内。华北克拉通内分布有冀东和鞍本收稿日期：2022-07-31责任编辑：陈毓基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFC0801603）作者简介：张忠政（1989），男，辽宁辽阳人，工程师，硕士，2014 年毕业于内蒙古科技大学，从事露天开采方面的技术工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.002张忠政，闫迪.基于高密度电阻率法的多层采空区探测研究 J.露天采矿技术，2023，38（3）：6原9.ZHANG Zhongzheng,YAN Di.Research on detection of multi-layer goaf based on high-density resistivitymethod 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:6原9.6露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月2个国内著名的铁矿集中区，其内分布有数十个大型-特大型铁矿床，地区铁矿资源开发历史久远，普遍存在矿权分散、集中度较低的现象，在日伪时期都遭受了不同程度的采富弃贫掠夺式开采及其后期的散乱无序开发，导致矿区内采空区发育，但有关采空区分布的数据资料却比较少，这在鞍本地区的铁矿具有代表性1。鞍本地区的沉积变质型铁矿在我国铁矿石资源储量中占有重要比重，且近年来随着市场竞争形势的严峻，进行资源整合有利于优化矿山开发布局，提高矿产资源开发利用水平，能够大幅度提升矿产资源的经济效益和社会效益。但在对矿产资源的整合开采利用过程中，因各种原因遗留下来的采空区给整合后的露天铁矿开采带来了生产安全威胁，具体体现在地下不明采空区的存在，破坏了矿山采场原有岩矿体应力场平衡，使其在采矿持续扰动下容易发生变形和破裂，导致采空区顶板或其侧帮失稳，从而诱发冒顶、地面沉降、滑塌、突发涌水等次生地质灾害，造成安全生产事故的同时制约矿山的安全高效生产。鉴于此，前人做了大量有关铁矿采空区探测的研究工作2，采用了地质调查、地球物理探测、测量和工程等多种技术手段，如人工调查、钻探、高密度电阻率法、瞬变电磁法、浅层地震法、三维激光扫描和水下声呐探测等，准确识别了露天铁矿隐伏采空区的空间分布和规模3-8。但上述研究多以露天铁矿充气型采空区的探测研究为主，属于整合后规模化露天开采早期阶段面临的采空区探测研究工作，由于探测方法对顶层采空区探测效果较好，以往研究类型多以探测单层采空区的研究为主，很少涉及对多层尤其是充水型多层采空区。研究对象也多集中于地下开采的煤矿9，在铁矿中的研究很少，而其中的深凹露天铁矿多层充水型采空区探测研究几乎是空白。但随着露天铁矿规模化开采的持续推进，很多大型露天铁矿逐渐由山顶采场进入深凹开采阶段，采场标高不断下降，地下发育的采空区也逐渐由充气型变为水-气复合型，以至于现在面临的充水型采空区。相比于充气型采空区，充水型采空区除常见的采空区诱发的次生地质灾害外，还易诱发透水事故，多方面影响矿山生产安全。基于此，以国内露天铁矿开采为主的鞍本地区为研究突破点，选择其内发育多层充水型采空区的露天铁矿为研究对象，采用探测精度高的高密度电阻率法开展多层充水型采空区探测应用研究，以查明充水型采空区的空间分布和规模等，为采空区的安全治理提供准确精准有效的数据，以保障露天铁矿的生产安全。1采空区探测理论基础高密度电阻率法以地壳中岩石和矿物的导电性差异为物质基础，通过观测和研究人工建立的电流场的分布规律去解决隐伏地质问题，属于主动源电法勘探。其原理与传统电阻率法相同，电阻率法可分为电剖面法和电测深法2大类，而高密度电阻率法则结合了电阻率法中电剖面法和电测深法2种测量方法的优点，发挥了数据采集的自动化或半自动化技术特点，属于一种集成的阵列式的地球物理勘探方法。高密度电阻率法在野外工作中，通常在1条观测剖面上等间距布设数十根或上百根测量电极。由于测量介质的电性差异会导致地下传导的电流存在差异。高密度电法就是在一定观测阵列下，通过供电电极向地下供电，测量电极间的电位差，收集地下介质电阻率变化的差异变化情况。实际采集到的数据为视电阻率，是综合反映了地下电性不均匀体和地形起伏10，并非岩矿石的真正电阻率。在分析视电阻率与地电断面的关系时，常需将视电阻率和地中电场的分布联系起来，特别是与地表的电阻率、电流密度和电场强度等。因此，对采集到的视电阻率数据，需要通过专门软件进行反演计算，以反映出地下真实电阻率，最后可根据反演计算成果研究推断地层介质的具体分布情况。此外，高密度电阻率法与一般电阻率法相比在方法技术上有较大进步，表现在：淤采用了多电极高密度一次布极，实现了跑极和数据采集的自动化；于数据采集过程中可防止因电极移动而引起的故障和干扰，具有成本低、效率高的特点。由于岩矿石介质的电阻率是其本身一种固有的电学性质，不同矿物、不同岩石的电阻率各不相同，采空区形成后与周围地质环境也存在明显的物性差异，如电性差异等11。具体对于充水型采空区来说，其导电能力主要取决于其内赋存水的电阻率；空区周围岩矿石的电阻率则主要取决于岩石矿物组合和有关含水性的影响。相比于充气型采空区的高电阻率特征，充水型采空区由于水介质中的矿物质含量较多，与周围岩石相比往往表现为明显的低电阻率特征。上述差异可为利用高密度电阻率法进行采空区探测提供了理论基础。在露天铁矿，其内赋存水含有多种导电离子，导致其电阻率比较低，充填于采空7露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 1高密度电阻率法工作示意图区，使充水型采空区的电阻率明显低于周边岩矿石。基于此种认识，可以利用高密度电阻率法进行充水型采空区探测。2探测技术方法2.1探测技术装置和工作方法高密度电阻率法数据采集系统由主机、电极转换器、电极系3部分组成。而通过主机、电极转换器和电极的合理配置，可以形成不同的探测技术装置，具体可包括温纳装置、施伦贝尔装置、偶极装置、微分装置、单边三极装置等。而其最常用的为温纳装置和偶极装置。由于温纳装置具有勘探深度大，受地形影响小，且数据采集稳定，探测效果好的特点，也是本次优选的充水型采空区探测技术装置。温纳装置随着供电电极AB的不断扩大，测量电极MN的也不断扩大，测量的电位差较固定装置大，以为温纳装置为例，其工作方式为：测量过程中，AM、MN、NB其间隔相等均为1个电极距，首先测出1条剖面线，随后各点逐点向右方向移动，开始进行第2条剖面的测量，如此就可以得到倒梯形断面。高密度电阻率法工作示意图如图1。具体到充水型采空区探测工作方法，则是需要先研究探测区的地质-地球物理特征，查清其内岩矿体的空间分布规律。后在需要探测的重点区段选择合适线距和电极点距布设高密度电法测量线，采用温纳装置进行数据采集工作。2.2探测数据采集与处理高密度电阻率法数据采集过程为：淤电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态；于主机通过通信电缆、供电电缆向电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存储测量数据；盂采集到的数据结果自动存入主机，主机通过通信软件把原始数据传输给计算机。数据采集系统采用DUK-2A高密度测量系统，数据采集完毕后，由测量主机导入电子计算机中进行系统处理，将采集到的数据转换成电法处理软件要求的数据格式，经相应处理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后，开展电阻率法的二维反演计算处理，并利用专业绘图软件形成电阻率等值线断面图，结合地质-地球物理特征对其进行解译，绘制成探测应用研究成果图件。对于成果图件，则结合研究区的地质-地球物理特征进行系统解译，针对识别出的异常区同时开展钻探验证工作，提高解译的准确性。3应用实例研究3.1探测应用研究区概况探测研究区位于鞍山-本溪地区某一露天铁矿区，处于辽东低山区向辽河平原区过渡带上，大地构造位置上处于华北地台辽东背斜的西部，主要出露的地层为太古宙鞍山群、元古宙辽河群，其中太古宙鞍山群是赋存BIF型铁矿的地层。区域成矿地质条件复杂，有不同时代侵入的岩浆岩及大规模混合岩化作用而形成太古宙花岗岩和许多大小不等的酸-中-基性的岩脉分布。研究区铁矿开采历史悠久，有上千年的铁矿资源开发利用历史，在区内地表下一定深度空间内存在有大量的采空区。其内采空区除铁矿资源整合开发利用前的无序开采形成的采空区外，还存在着大量日伪时期采富弃贫掠夺式开采遗留的采空区，这在后期铁矿石开采和地质探矿过程中不断发现。而具体到本次的探测研究区，则位于鞍本地区东北部区域，是国内著名的富铁矿资源分布区。区内主要出露的为太古界鞍山群茨沟组地层，主要岩性有斜长角闪岩、黑云变粒岩、条带状磁铁石英岩，夹有石榴云母片岩、石英岩等，探测区铁矿石以贫矿为主，其内局部富含有富磁铁矿体。由于处在富水区，探测区富铁矿石电阻率相对较低，其电阻率在400耀2 000 赘m之间变化，而完整性好极贫磁铁矿，接近磁铁石英岩，其电阻率在3 000耀7 000 赘m。3.2探测成果解译本次充水型采空区探测应用研究的测线主要布置在露天铁矿的128 m标高采矿平台上，该平台上铁矿体厚大，内含富磁铁矿体。前期现场调查发现存在局部区域沉降区和地裂缝，显示下面存在不明采空区。基于此，穿过沉降区和地裂缝发育区布设高密度电法测线，共布设高密度电法测线3条（G1、G2和G3），线距10 m，每条60个测量电极，电极点距为38露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 2高密度电阻率法 G2 线解译成果m。数据采集装置为温纳装置，每条测线共采集570个数据点。以探测效果最显著的测线G2为例进行解译分析研究。高密度电阻率法G2线解译成果如图2。G2线在6070 m之间经过地面沉降裂缝发育区，由于处在潜水面以下，裂隙充水，可显示明显的低电阻率异常，说明高密度电阻率法可以准确反映岩矿石的物性变化。G2测线在2466 m和90138m之间，存在2处明显的低电阻率异常发育区，其埋深分别在1030 m和2143 m，且其电阻率值明显低于已知富铁矿体的电阻率，核心部位仅为几十赘m，可以推测为充水型采空区异常，分别由潜在的采空区KQ128-1和KQ128-2引起。为了验证上述解译成果，分别在G2测线45 m和116 m处布设潜孔钻验证孔YZK1和YZK2，钻探结果显示在YZK1孔的12 m和YZK2孔的26 m处打穿充水型采空区。验证结果说明高密度电阻率法可以识别不同赋存高度的双层充水型采空区。3.3探测成果分析和讨论高密度电阻率法探测圈定的采空区异常顶板边界与钻探验证成果的采空区顶板边界相比，存在25 m的误差，这主要是由高密度电阻率法自身的分辨率和布设测量电极点距决定，且随着探测深度的不断加深，其分辨率逐渐降低，这就需要在钻探验证时，以打穿采空区异常核心而不是异常边界作为终止钻孔钻探的标准，防止漏掉采空区存在的地球物理异常。另一方面，高密度电阻率法对沉降裂隙发育区的有清晰的显示，而沉降裂隙发育区则代表着采空区顶板完整性较差，说明高密度电阻率法除可探测采空区存在的地球物理异常外，还可以评价其周边岩矿体的完整性。这主要是当采空区存在时，其顶板及其周边岩矿体应力场发生变化，并在持续采矿生产扰动下容易发育裂隙和破裂带，其内充填水，对外显示明显的低电阻率异常特征。基于此，高密度电阻率法可以评价充水型采空区顶板的完整性，并依据其顶板的完整性程度来为矿山生产安全提供超前预警。4结语1）充水型采空区由于充填介质的低电阻率特性，与周边岩矿体存在明显的物性参数差异，具备采用高密度电阻率法探测其存在的地球物理前提条件。2）探测应用研究成果表明：高密度电阻率法可以准确识别由双层充水型采空区存在导致的地球物理异常，能够实现对BIF型铁矿双层充水型采空区的有效探测，异常探测精度误差在25 m。3）高密度电阻率法除可以探测充水型采空区异常外，还可以识别采空区顶板及其周围岩矿体的裂隙发育情况，进而评价采空区的完整性和稳定性。参考文献：员 周世泰援 鞍山原本溪地区条带状铁矿地质 酝 援北京：地质出版社，员怨怨源援圆 宫国慧，王志猛，贾三石，等援某铁矿隐伏水气复合充填型采空区精准探测技术 允 援现代矿业，圆园圆员，猿苑（员员）：员怨员原员怨缘援猿 门业凯，杨义彪，席晓凤，等援基于高密度电阻率法的露天铁矿采空区探测的研究 允 援工程地球物理学报，圆园员园，苑（圆）：员远源原员远愿援源 王恩德，门业凯，张忠杰，等援基于高密度电阻率法的铁矿山采空区数值模拟 允 援东北大学学报（自然科学版），圆园员猿，猿源（苑）：员园圆圆原员园圆远援缘 刘殿军，贾三石，王恩德，等援井下铁矿巷道掘进工作面超前预警探测 允 援金属矿山，圆园员源（员员）：员源苑原员缘园援远 贾三石，付建飞，门业凯，等援深凹露天铁矿隐伏空区三维激光探测技术方法应用研究 允 援安全与环境学报，圆园员怨，员怨（缘）：员缘愿员原员缘愿远援苑 贾三石，付建飞，王恩德，等援基于模糊数学的露天铁矿采空区地球物理探测评价研究 允 援金属矿山，圆园圆园（员）：远猿原苑圆援愿 张德辉，王剑锋援弓长岭露天矿地下含水空区的探测与研究 允 援采矿技术，圆园圆园，圆园（圆）：缘圆原缘缘援怨 李成友，刘洪福援多层采空区调查中瞬变电磁法的应用 允 援物探与化探，圆园园苑（杂员）：员园愿原员员园援员园 李金铭援地电场与电法勘探 酝 援北京：地质出版社，圆园园缘援员员 刘天佑援地球物理勘探概论 酝 援北京：地质出版社，圆园园苑援9