高频电磁测深法在某铁矿采空区探测中的应用

高频电磁测深法在某铁矿采空区探测中的应用

韩瑞亮1李瑞环2胡文剑1胡亚军1

1河钢集团矿业公司矿山设计有限公司河北唐山063700

2唐山市天翔科技有限公司河北唐山063500

摘要：随着现代采矿业的发展，各地遗留了大量未处理的采空区和老坑洞，严重威胁当地的生产安全和生态环境安全。采空区的处理正日益成为矿山普遍存在的技术难题，采空区的探测方法中，高频电磁测深法经试验适用于大面积影响区域，通过现场实验其具有较高的探测精度。

关键词：采空区；探测；高频电磁测深

随着现代采矿业的发展，各地遗留了大量未处理的采空区和老坑洞，严重威胁当地的生产安全和生态环境安全。同时，采空区的处理正日益成为矿山普遍存在的技术难题。某铁矿山经过了30余年的开采，因历史原因曾发生大量盗采，遗留了大量状况不明的非法采空区，而且转地下开采采用空场法也产生了大量采空区，为下一步分段空场嗣后充填法带来了安全隐患。矿山先后采用钻探、CMS空区探测、井下三维激光扫描技术手段进行探测，但是均存在一定程度的局限性，受探测工程布置和安全影响，如何采用快速且经济可行的方法来了解采空区现状，确定潜在危险源的位置和范围，并提供准确的信息，以便采取有效措施，消除潜在的危害，为此开展高频电磁测深法现场试验，研究探测地下采空区探测效果。

1高频电磁测深法应用原理

高频电磁检测方法是传统大地电磁检测方法的变体，基于电磁波在导电介质中的传播距离与电磁波的频率有关这一原理，利用电导率成像系统，在地表以下几米到一公里范围内测量电阻率，使用更高的频率来达到电磁检测的目的。

该系统可以利用自然和人工电磁场信号，特别是当使用更高频率以实现更高分辨率的电磁检测时，该系统可以实现自然场和人造场在各种恶劣的地形条件下对电磁场信号进行连续电导率观测，通过观察测量点处电磁场的正交分量，获得正交时域中电、磁分量并执行傅立叶变换，计算功率谱并获得电阻率测深曲线。

在正常情况下，断层带沉降区上方的岩体由于弯曲而过度变形，并且在采空区上方产生大的拉应力，两侧受到大的剪切应力，因此岩体中出现大量裂缝，破坏了岩体的完整性。弯曲区域是表面上方的裂缝区域，其通过自重应力而变形并且不再破裂。采空区与其垂直“三带”和正常地层之间存在明显的物理差异。最明显的差异是电导率的差异，这主要表现在两个方面：首先，采空区松散，密度低于整个地层，即每单位体积介质的密度降低，导电性降低并且电阻异常；其次，与完整地层相比，采空区断层带岩性没有明显变化。

然而，由于裂缝区中岩石的破裂，岩石中传播的岩石的电导率恶化并且岩石的视电阻率显著增加。落差高度一般在10米以上，内部充满松散物质，电阻率明显高于周围介质。断层带的高度通常为几十米，主要是由于采空区坍塌引起的岩石裂缝，其电阻率显著增加。然而，当采空区充满更多水时，由于存在水和强导电性，采空区的电阻率显着降低。可以看出，采空区的视电阻率与周围岩石的视电阻率明显不同，这是采空区电磁探测的物理前提。

2试验过程及检测效果

勘探区位于河北省某铁矿，该矿区富含丰富的铁矿资源，山谷发育，矿区褶皱相对发育，中部和北部褶皱开放，南部断层发育，矿区的断层构造发育，规模不同，矿区外露的岩浆岩主要为石英岩、板岩、辉绿岩及一些变质火山岩，区域探测平台是基岩区和石英岩爆破区。即使平台位于同一平台上，基岩也不在同一水平上，区域测试平台通常较窄，电磁测试受山（低阻）或低平台（高阻）的影响很大。

多年来，矿区和周边地区发生了私人采矿和无序采矿，留下了大量未经处理的采空区，采空区大小不一，构造多样。采空区的异常表现不同，如果它是一个空心物体，它将显示出高阻力；如果采空区充满水，则阻力很小；如果采空区坍塌，回填在不同条件下具有不同的电性能。不同之处在于填充浮土时的阻力或含水量小，填充岩石时的阻力大。因此，为了更好地预测采空区，有必要对采空区进行对比分析和评估。

用瞬变电磁系统将瞬态电磁特性与检测要求相结合，选择大型环路设备，传输线框架为200m×200m，1匝线圈，电流大于20A；接收小线圈垂直观察L帧，选择4000匝线圈，并选择4Hz的工作频率。在检测期间，大线圈的电源电流位于线框的左下部，并且每个线框之间的框架彼此平行，使得检测位置相对均匀。小线圈接收来自大线圈的信号数字，可以看到存在显著的阻力，这个比例不正常，160英寸，中心深度为130m。调查区域地势高，植被丰富，含水量大，试验在雨季，因此推测它充满了水。

采空区在100m线上，由1175m中心高程电阻率轮廓形成的闭环电阻率相对高，显示异常，可能是高电阻率岩石矿石或采空区。这项工作使用eh-4电导率成像仪，该仪器由EMI电磁仪器和几何仪器开发的STRATAGEMTM电导率成像系统组成，最低工作频率要求为500Hz，满足试验要求。频率组操作，频率范围500Hz~99kHz。第3行的eh-4电导率成像系统的反演剖面显示了在50m~80m线附近的两个不同的低电阻率异常。对应的瞬态电磁反转曲线，推断它是具有低电阻的采空区。在1225英寸的中心高度处存在显著高阻抗异常。推测高电阻率陷阱可能是未填充的采空区或高电阻率岩体。Tem和eh-4综合方法表明，在表面附近存在显著的低电阻率异常，与表面附近充满水的采空区反射一致，与已知数据一致，两种方法探测数据可以相互验证。通过采空区钻探，验证了深低电阻率异常的微观反演和深部高电阻率异常的eh-4反演。解释Tem和eh-4电导率成像系统是互补的，特别是在中央和深部地区。结合这两种方法，可以更好地评估采空区。

3存在的问题及建议

一、高频大地电磁测深法具有抗干扰强、测量深度大且携带方便等优点，但其针对的物性单一，因而在探测方法的选取上要与其它探测方法结合，对比分析探测数据，得出较可靠的解释成果。

二、EH-4技术关键还是测定各种岩石和矿物的电导率，因此要结合矿区地层，全面准确的测量统计分析各岩层的电导率。本次物探正是因为忽视了古地层岩石的物理特性，所以对引起异常的解释与钻探验证存在偏差。建议在解释物探资料前，要全面收集矿区的各种岩矿石的地球物理特征和相应的地质资料，以便得出更加合理的解释成果。

三、对于地层中的含水岩层与磁性矿化体的电导率很接近，如何定性、准确的区分两者的地球物理学特性是今后在使用高频大地电磁测深法(EH-4)寻找磁性矿化体方面值得探讨的问题。

4结语

高频电磁测深法抗干扰强、测量深度大，通过现场试验，并对探测数据进行三维数值解释，基本反映了埋深在1500m以内地层的地球物理学特征，利用钻探对探测的低电阻体异常进行验证，其反演解释的低电阻体的规模、形态与钻探揭露基本吻合。因此，高频电磁测深法在探测采空区方面有良好的应用前景，但如何定性低电阻体是由哪种介质所引起的，这是今后应用过程中值得进一步探讨的问题。

参考文献

［1］乔春生，田治友．大团山矿床采空区处理方法［J］．中国有色金学报，1998,8(4):13-15．

［2］孙天学，郝进喜，牛军新，等．TＲT及钻探综合地质超前预报技术在某矿山的应用［J］．工程地球物理学2013(01):123-126．

［3］刘敦文，古德生，徐国元．地下矿山采空区处理方法的评价与优选［J］．中国矿业，2004,13(8):52-55．

［4］张五兴，宋嘉栋，谷新建．三道庄矿区采空区处理方案优化［J］．矿业研究与开发，2011,31(4):78-79,103．