综合地球物理方法在矿山地质环境治理采空区勘查中的研究应用

王龙昌

（山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261000）

物探方法在查明地下采空区方面已成为人们公认的有效探测技术手段，但利用物探方法查明某金矿矿山采空区的地下分布，除必须具有一定的勘探深度外，还受到该区地形起伏较大、测线不能完全按直线布置、柏油路、水泥地面或瓷砖铺设等因素的制约。针对这种特殊的场地条件，在充分考虑现有各种物探方法的特性及应用条件的基础上，提出了高密度电阻率法和浅层地震反射波法相结合的综合物探方法[1]。

1 工作区地质、地球物理特征

研究区属构造剥蚀低缓丘陵区，地处中纬度暖温带季风型湿润气候区，四季变化和季风进退都较明显，气候温和，冲沟不发育，除大气降水时可形成地表径流外，无地表水系通过。区内地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙含水岩组和基岩裂隙含水岩组。金矿床工程地质条件较好，矿体上下盘节理不甚发育，坑道中次级断裂也不甚发育，裂隙面多被后期硅质，碳酸盐细脉充填，使其完整性加强。因此，矿体顶底板岩石基本完整，其工程地质条件简单。

研究区内分布粘土层、基岩风化层、砂岩、水、黑云花岗闪长岩、石英脉、采空区（充水或不充水）等介质，存在较明显的电性差异和波速差异，表现为电阻率及波速特征的不同。致密岩体的波速值通常较高（大于2500m/s），而破碎带或者第四系沉积地层的波速一般较低，在采空区发育区，由于裂隙或者流体层的存在，导致地震波能量衰减，在断面图上形成“同相轴不连续”现象。

2 物探方法的选择及解译依据

此次综合物探测量工程采用高密度电法和浅层地震反射波法勘查方法，能够较好地从电性及弹性参数对工作区地层及目标体发育情况进行解释推断，方法选择是合理有效的。

高密度电阻率法利用目标地质体与围岩的电性差异，采用人工在地下建立稳定电场的方式，在地表采集相应点位的电位值，通过适当的处理手段，反映地下介质的电性分布特征[2]。此次电法工作目标地质体为采空区或者巷道，其赋存状态与地电特征有较大关系。当采空区或巷道没有充水且没有填充，在电阻率断面图上应显示为较明显的高阻特征。如果目标体充水，一般为矿化水，电阻率通常较低，呈现出低阻特征。采空区或巷道有局部塌陷，在其顶部易形成重力拉张的纵向裂隙，地下水将沿裂隙填充，造成视电阻率降低。其它致密围岩或者脉岩，在断面图上通常表现为高阻特征。

图1 高密度电法勘探线L14与ZK27号钻孔相对位置叠合图

地震反射波法是利用人工激发的地震波在地层的传播过程中，在波阻抗界面上产生的反射信号进行分析，用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。采空区是由于人为挖掘或者天然地质作用等原因形成的存在于地表以下一定深度的空洞，在金矿采区主要是指在开采过程中形成的无矿区，这些无矿区在地下以采空区的形式存在[3]。当地层中存在面积较大的采空区时，地震波在采空区中可以进行传播，而且由于采空区与未采矿层以及围岩具有一定规模的速度和密度差异也即波阻抗差异，这一差异会在地震波场中引起响应，可以通过识别这一地震响应来判别圈定采空区的边界及其分布范围[4]。

3 成果分析

研究区内共布设高密度电法勘探线6条，分别为L2、L3、L4、L5、L14、L15；浅层地震勘探线4条，分别是S1、S2、S3、S4；验证钻孔15个，其中钻探验证到采空区的钻孔有8个，对地球物理勘探解译成果起到了很好的验证效果。

图1高密度电法勘探线L14与ZK27号钻孔相对位置叠合图，8-16号点区段浅部表现低阻凹槽特征，异常相对完整，推断为基岩不均匀风化，导致局部裂隙发育；25-33号点区段浅部呈现明显低阻异常，该区段低阻异常特征规模较大，异常向下延伸未封闭，形态完整，推断为采矿巷道的反映；依据ZK27号钻孔资料，证明该区浅部4.0-5.6m、28.0-31.0m为空区，采空区内无充填物，采空区内均含水。钻孔典型照片见照片1。

照片1 ZK27钻孔照片

图2为L5线高密度电法视电阻率断面图,测线方位70°，全长300m。该断面（点距5m）视电阻率横向变化较大，呈现高低阻相间特征。整体上，浅部显示为低阻特征，推测为第四系及风化带赋水所致；随深度增加，电阻率逐渐增大，局部表现为向下延深较大的低阻凹陷区。9号、15号、34号及52号点区段浅部表现均存在低阻凹槽，推测为基岩不规则风化或裂隙发育导致，分别编号D5-1、D5-2、D5-4、D5-5；25-30号点区段呈现明显的直立状低阻异常，且下延趋势明显，未封闭，推测为采空区或采矿巷道引起，该区段低阻异常特征规模较大，地层稳定性较差，推断该区段属地层不稳定薄弱区，编号D5-3。

图2 L5测线高密度电阻率断面图

图3 S3线浅层地震发射波法图像特征

在S3线浅层地震发射波法图像上，30m、52m两处，地震反射波的同相轴发生能量减弱、连续性降低等现象，推断两处地层发生变化。其中，30m处相对较浅，推断为基岩裂隙发育导致；52m处的图像特征推断为采矿巷道或采空区显示，且与高密度电法L5线D5-3异常吻合较好。

4 结语

本次物探勘查运用了高密度电阻率法和浅层地震反射波法，采集工作区的地电参数和波速特征。工作布置、推断科学合理效果明显，用软件成图，图像清晰，直观地反映了地下采空区结构形态等情况[5]。对研究内地质特征有了一定的系统了解，对其采空区的分布进行了阐述，对调查区内的地质灾害与环境地质问题的类型及空间分布情况进行了归纳总结，基本断定物探异常与采空区或者巷道的对应关系，达到了预期目的。