馬 東 賈三石 付建飛 宮國(guó)慧

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)嶺有限公司井采分公司；2.東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

天然地質(zhì)作用形成的空洞稱(chēng)之為洞穴，人為因素形成的空洞則稱(chēng)之為采空區(qū)。但不論是天然的洞穴，還是人為的采空區(qū)，其一旦形成勢(shì)必會(huì)改變巖土體的局部空間物質(zhì)屬性和力學(xué)性能，在外部因素?cái)_動(dòng)下極易誘發(fā)變形滑移和塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成難以估量的生命財(cái)產(chǎn)損失［1-3］。特別是在人類(lèi)發(fā)展的歷史進(jìn)程中，對(duì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中形成的各類(lèi)采空區(qū)危害最大，在露天開(kāi)采過(guò)程中容易造成冒落塌陷災(zāi)害，而在井下開(kāi)采過(guò)程中極易誘發(fā)涌水災(zāi)害，這其中以開(kāi)采歷史悠久且為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)的能源礦山——煤礦和金屬礦山——鐵礦最為典型，尤其是煤礦的采空區(qū)探測(cè)和有關(guān)涌水災(zāi)害治理開(kāi)展最早，取得了顯著效果［4-5］。而對(duì)于鐵礦來(lái)說(shuō)，多以礦業(yè)整合后的露天開(kāi)采為主，面臨的多是早期無(wú)序開(kāi)采遺留下的不明采空區(qū)，且整合開(kāi)發(fā)早期面臨的多以淺部的充氣型采空區(qū)為主，多采用綜合地球物理探測(cè)技術(shù)和鉆探驗(yàn)證及高精度測(cè)量技術(shù)加以解決［6-8］。但隨著近些年鐵礦采選技術(shù)的不斷進(jìn)步，其規(guī)?；_(kāi)采向深部逐步加深，并向外圍不斷擴(kuò)展，面臨的采空區(qū)類(lèi)型也逐漸由充氣型變?yōu)樗獨(dú)鈴?fù)合充填型，直至充水型采空區(qū)。特別是在一些鐵礦集中區(qū)，由于早期的無(wú)序開(kāi)采和采富棄貧式開(kāi)采，在潛水面以下形成大量多層的充水型采空區(qū)，一方面容易在露天鐵礦加深開(kāi)采擾動(dòng)中塌陷，另一方面極易在井下鐵礦開(kāi)采中誘發(fā)涌水災(zāi)害，尤其嚴(yán)重危害井下鐵礦的安全生產(chǎn)。但由于井下鐵礦探測(cè)空間狹小、強(qiáng)電磁干擾、人文擾動(dòng)等因素的限制，且探測(cè)采空區(qū)的深度均在100 m 以上，致使常規(guī)的采空區(qū)地球物理探測(cè)方法很難開(kāi)展有效的充水型采空區(qū)探測(cè)。

針對(duì)上述井下鐵礦充水型采空區(qū)探測(cè)技術(shù)難題，考慮到鐵礦存在嚴(yán)重的人文和電磁環(huán)境干擾，結(jié)合充水型采空區(qū)低阻型特征和埋藏深度較大的特征，采用大功率的可控源音頻大地電磁法（CSAMT）［9-11］進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。本研究選擇典型BIF型鐵礦分布區(qū)——鞍本地區(qū)內(nèi)的充水型采空區(qū)為例，在前期成礦地質(zhì)特征和地球物理特征研究的基礎(chǔ)上，圈出重點(diǎn)部位開(kāi)展充水型采空區(qū)的CSAMT 法探測(cè)研究，以查明采空區(qū)空間分布，為鐵礦山采空區(qū)治理提供可靠依據(jù)。

1 BIF 型鐵礦采空區(qū)充填介質(zhì)類(lèi)型和地質(zhì)—地球物理識(shí)別特征

1.1 采空區(qū)充填介質(zhì)類(lèi)型

礦產(chǎn)資源作為復(fù)雜地質(zhì)作用的產(chǎn)物，因其礦物組成成分的不同而對(duì)外表現(xiàn)出一定的地球物理異常特征。對(duì)于BIF 型鐵礦來(lái)說(shuō)，由于其礦體為固態(tài)特征，被開(kāi)采后遺留的空間為傳統(tǒng)的“空洞”表現(xiàn)形式，這種形式易被流動(dòng)態(tài)的物質(zhì)充填而顯示為對(duì)應(yīng)的物性特征，而在自然界中流動(dòng)態(tài)的物質(zhì)常見(jiàn)的主要有空氣和液態(tài)的水2 類(lèi)?？諝夂退彩怯绊懳镔|(zhì)地球物理特征的重要因素，空氣對(duì)外表現(xiàn)為高阻值特征，水對(duì)外則表現(xiàn)為低阻值特征。此外，還考慮到采空區(qū)在采礦擾動(dòng)中不斷冒落形成虛積體，虛積體的最大特征是空隙特別發(fā)育，其物性特征同樣受流動(dòng)性介質(zhì)影響最大。基于此種認(rèn)識(shí)，本研究將采空區(qū)充填介質(zhì)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是充氣型采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)部的充填介質(zhì)以空氣為主；另一類(lèi)是充水型采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)部的充填介質(zhì)以水為主。

1.2 采空區(qū)地質(zhì)—地球物理識(shí)別特征

根據(jù)以物性差異特征為基礎(chǔ)的采空區(qū)分類(lèi)方案，可將采空區(qū)劃分為充氣型采空區(qū)和充水型采空區(qū)2類(lèi)。

（1）充氣型采空區(qū)。礦產(chǎn)資源開(kāi)采后遺留的“空洞”主要為空氣充填。空氣作為一種極低密度的絕緣性氣體，相比于“空洞”周?chē)臍堄嗟V體和圍巖表現(xiàn)出極低密度、高電阻率和低電導(dǎo)率的物性差異特征，表明該類(lèi)采空區(qū)可以采用重力法、電阻率法、電磁法和地震映像法進(jìn)行單一或組合的地球物理探測(cè)。

（2）充水型采空區(qū)。礦產(chǎn)資源開(kāi)采后遺留的“空洞”主要為水充填，且不是傳統(tǒng)意義的純水，而是礦山環(huán)境中富含多種元素和離子的水溶液。此類(lèi)水溶液作為一種中低密度的導(dǎo)電性良好流體，對(duì)比于采空區(qū)周邊的巖礦體，具有低密度、低電阻率和高電導(dǎo)率的物性差異特征，表明可以采用分辨率高的電阻率法、電磁法和地震映像法進(jìn)行勘探。

1.3 大深度隱伏采空區(qū)探測(cè)技術(shù)優(yōu)選

當(dāng)前，地球物理探測(cè)技術(shù)方法多集中于對(duì)60 m深度以?xún)?nèi)的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)研究［12］，具體探測(cè)方法有探地雷達(dá)法、層析電阻率法、地面重力法、地面高精度磁法、地震映像法和時(shí)間域電磁法等。這些方法的主要特點(diǎn)是分辨率高、效率高和操作方便，但探測(cè)深度有限，同時(shí)抗干擾能力相對(duì)較差，且對(duì)于埋深在100 m 以上的大深度隱伏采空區(qū)則無(wú)法進(jìn)行有效地探測(cè)。為此，本研究結(jié)合前人成果［9-10］，考慮到礦山存在較強(qiáng)的人文環(huán)境干擾和強(qiáng)電磁干擾，且探測(cè)區(qū)間內(nèi)的地表地形復(fù)雜的特點(diǎn)，優(yōu)選了大功率發(fā)射、小設(shè)備靈活數(shù)據(jù)采集的CSAMT法。

2 CSAMT工作原理及數(shù)據(jù)處理方法

CSAMT 探測(cè)技術(shù)工作流程如圖1 所示。實(shí)際測(cè)量工作中，CSAMT 法采用大功率發(fā)射的交變電磁場(chǎng)，主要用一個(gè)發(fā)射偶極子供電，就可以在發(fā)射區(qū)周?chē)?個(gè)很大的扇形區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，可以穿透覆蓋層探測(cè)下方的地質(zhì)體。此外，采用CSAMT 法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，只需要移動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備就可以進(jìn)行大面積的地球物理探測(cè)工作，以得到地表以下一定深度區(qū)間內(nèi)的電性立體分布，工作效率高。特別是由于卡尼亞電阻率相當(dāng)于對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行了歸一化處理，使得同步地形變化的影響減弱，可以在復(fù)雜的野外地形條件中取得良好的探測(cè)效果。

本研究主要采用美國(guó)Zonge 公司生產(chǎn)的GDP-32綜合電法測(cè)量設(shè)備，具體數(shù)據(jù)采集方法為標(biāo)量法，即在測(cè)線測(cè)量過(guò)程中采用多道同時(shí)觀測(cè)的方式（共用1個(gè)磁探頭）來(lái)排列測(cè)量（1 個(gè)磁道，6 個(gè)電道），以觀測(cè)視電阻率和相位曲線。在具體測(cè)量過(guò)程中采用較小的測(cè)量極距（10～20 m），主要在考慮探測(cè)目標(biāo)體尺度和橫向分辨率同時(shí)，改善高頻信號(hào)的畸變。為了保證測(cè)量過(guò)程中高頻電場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果，務(wù)必使不極化電極與大地穩(wěn)定而緊密接觸，即不極化電極極差小于2 mV，電極埋入土中一定深度澆水。還要采用多級(jí)工頻陷波壓制工頻干擾，并采用多次疊加和多次重復(fù)觀測(cè)保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

CSAMT 法的數(shù)據(jù)處理包括野外數(shù)據(jù)預(yù)處理和后期處理2 個(gè)部分［12-15］，預(yù)處理為干擾校正、近場(chǎng)校正和靜態(tài)校正，而后期處理主要是反演計(jì)算。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)處理主要對(duì)單個(gè)突跳頻點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)圓滑處理，并對(duì)各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度校正，后期數(shù)據(jù)處理采用與采集設(shè)備配套的SS2D軟件進(jìn)行整理和格式轉(zhuǎn)換，并以實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，編輯反演模型。最后采用一維、二維反演數(shù)據(jù)處理方法反演數(shù)據(jù)，反演成果采用專(zhuān)業(yè)成圖軟件進(jìn)行可視化處理，形成探測(cè)區(qū)電阻率分布剖面圖和三維化可視圖。

3 大深度多層隱伏采空區(qū)群探測(cè)區(qū)地質(zhì)和地球物理特征

3.1 探測(cè)區(qū)地質(zhì)特征

探測(cè)區(qū)位于華北克拉通北緣鞍本鐵礦主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，該區(qū)內(nèi)含鐵建造為條帶狀磁鐵石英巖。探測(cè)區(qū)所在的鐵礦為典型的BIF 型富鐵礦床，賦礦地層主要為太古界鞍山群茨溝組，茨溝組為變質(zhì)巖系，其地層由老到新主要由下部角閃巖層、下含鐵層、中部鈉長(zhǎng)變粒巖、上含鐵層和硅質(zhì)巖層組成。探測(cè)區(qū)內(nèi)NW 向反“S”型褶皺帶控制了鐵礦帶的分布，而區(qū)域性的NE向寒嶺和偏嶺斷裂控制了鐵礦帶的南北邊界，其內(nèi)次一級(jí)的NE 向斷裂則將鐵礦帶分割成若干個(gè)鐵礦床，其內(nèi)的鐵礦體主要呈厚大的陡立狀分布，而礦體兩側(cè)發(fā)育厚大的混合花崗巖。在具體地質(zhì)構(gòu)造上，探測(cè)區(qū)主要位于區(qū)內(nèi)次一級(jí)的NE 向老嶺斷裂帶內(nèi)，老嶺斷裂帶同時(shí)控制了探測(cè)區(qū)內(nèi)鐵礦體的分布，使該處的鐵礦體不同于區(qū)域上整體NW 向分布，而在局部變?yōu)镹E向分布。

區(qū)內(nèi)鐵礦體厚大且富，以致在地表以下數(shù)百米空間內(nèi)既存在日偽時(shí)期采富棄貧遺留的采場(chǎng)式和巷道式老舊采空區(qū)，又存在鐵礦整合開(kāi)發(fā)以前無(wú)序開(kāi)采和亂采亂挖形成的呈群呈層分布的不明采空區(qū)。這些采空區(qū)分布無(wú)規(guī)律，大部分處于地下潛水面以下，又經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的水力循環(huán)而處于充滿水的狀態(tài)。充滿水的采空區(qū)對(duì)于井下礦山的安全開(kāi)采，特別是井下運(yùn)輸巷道開(kāi)拓和鐵礦石開(kāi)采產(chǎn)生了極大的安全威脅，極易導(dǎo)致各類(lèi)涌水和突水安全事故。

3.2 探測(cè)區(qū)地球物理特征及測(cè)線布設(shè)

區(qū)內(nèi)對(duì)本研究探測(cè)影響較大的礦（巖）體為混合花崗巖、磁鐵石英巖（貧礦）和磁鐵富礦，三者電阻率均值分別為3 500、6 182、1 708 Ω·m。由于探測(cè)區(qū)處于磁鐵礦發(fā)育區(qū)，區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)則呈跳躍場(chǎng)分布。

為提高探測(cè)效率，降低探測(cè)成本，首先在早期地面高精度磁測(cè)成果圖上圈出探測(cè)區(qū)富鐵礦分布區(qū)段，同時(shí)結(jié)合早期開(kāi)采現(xiàn)狀調(diào)查資料圈出其內(nèi)重點(diǎn)工作區(qū)段，并在該工作區(qū)段內(nèi)布設(shè)CSAMT 測(cè)線和測(cè)點(diǎn)（圖2），測(cè)線間距為20 m，測(cè)線點(diǎn)距為10 m。在具體探測(cè)過(guò)程中，測(cè)量的供電電極距為800 m，收發(fā)距為6 km，共設(shè)計(jì)了15 個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍為64～8 192 Hz。對(duì)于獲取的CSAMT 探測(cè)數(shù)據(jù)，主要利用設(shè)備自帶的軟件SCS2D進(jìn)行處理，具體的反演方法為圓滑模型反演。

4 CSAMT法探測(cè)成果解譯和驗(yàn)證

4.1 CSAMT法探測(cè)成果解譯

探測(cè)區(qū)內(nèi)采用標(biāo)量法測(cè)量，Ex電場(chǎng)分量以6 道為一觀測(cè)排列，共用一道磁場(chǎng)分量Hy，觀測(cè)頻率范圍為64～8 192 Hz，期間進(jìn)行 2 加密測(cè)量，具體觀測(cè)方式為多次疊加覆蓋取平均值，最大程度壓制干擾，突出有用信息。區(qū)內(nèi)測(cè)線間距為20 m，點(diǎn)距為10 m，近EW 向共布設(shè)了3 條測(cè)線，每條測(cè)線測(cè)點(diǎn)數(shù)為19 個(gè)，共采集數(shù)據(jù)測(cè)深點(diǎn)57個(gè)。同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)形成原始測(cè)點(diǎn)圖，不存在曲線突跳和數(shù)據(jù)畸變點(diǎn)，說(shuō)明了探測(cè)成果的有效性。

上述采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理和解譯后，形成的探測(cè)成果如圖3 所示。圖3 中，L1測(cè)線從西向東分為2個(gè)近直立的電阻率異常區(qū)塊帶，左側(cè)區(qū)塊帶厚大穩(wěn)定向下延伸，結(jié)合地質(zhì)勘探資料推測(cè)為混合花崗巖存在顯示的地球物理異常；右側(cè)區(qū)塊陡立向下延伸，且低阻區(qū)圈閉特征明顯，依據(jù)勘探數(shù)據(jù)資料推測(cè)為富磁鐵礦體存在顯示的地球物理異常。L1測(cè)線內(nèi)部位于推測(cè)鐵礦體內(nèi)的低阻圈閉異常中，其電阻率明顯小于富磁鐵礦電阻率，可以推測(cè)為充水的采空區(qū)。參考L1測(cè)線解譯思路，對(duì)L2和L3測(cè)線也進(jìn)行了解譯。與L1測(cè)線相比，L2測(cè)線所在部位構(gòu)造發(fā)育（構(gòu)造導(dǎo)通地表充水顯示為明顯的低阻異常），且導(dǎo)通地表，顯示含水帶從地表向下貫通，表明地表含水層通過(guò)構(gòu)造與采空區(qū)相連，這也是導(dǎo)致采空區(qū)充滿水的主要原因。與L2測(cè)線相比，L3測(cè)線除了顯示構(gòu)造發(fā)育外，其下方礦化體在深部存在突然消失現(xiàn)象，可為局部構(gòu)造錯(cuò)斷造成，進(jìn)一步表明探測(cè)區(qū)構(gòu)造發(fā)育。對(duì)于3 條測(cè)線推測(cè)的充水型采空區(qū)異常，厚度為20～50 m，埋深為80～300 m，整體為大深度多層隱伏充水型采空區(qū)群地球物理異常顯示。

4.2 成果初步驗(yàn)證

首先對(duì)L1測(cè)線150 m 處下方的充水型采空區(qū)地球物理異常進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，在距離地表下方110 m處存在充水型的采空區(qū)。對(duì)于驗(yàn)證孔，地表0～9 m 為第四系覆蓋層，9～105 m 為混合花崗巖，105～110 m 為磁鐵礦，磁鐵礦與混合花崗巖之間夾有薄層蝕變巖-綠泥片巖，110 m 下方為充水空區(qū)，即停止鉆進(jìn)工作。由于該探測(cè)區(qū)域是井下鐵礦未來(lái)深部擴(kuò)展的重點(diǎn)開(kāi)采區(qū)域，礦山基于安全考慮在其下方對(duì)其進(jìn)行打孔放水作業(yè)，避免在后期的深部開(kāi)采中出現(xiàn)突發(fā)涌水而造成次生地質(zhì)災(zāi)害。在放水過(guò)程中，本研究采用鉆孔式三維激光測(cè)量設(shè)備對(duì)驗(yàn)證存在的采空區(qū)進(jìn)行了精準(zhǔn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)多是采富棄貧開(kāi)采遺留下的巷道式采空區(qū)群，典型的巷道式采空區(qū)表面點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)和3D實(shí)體重建結(jié)果如圖4所示。

基于上述初步驗(yàn)證成果，本研究采用3D 實(shí)體重建技術(shù)對(duì)CSAMT法探測(cè)獲得的充水型采空區(qū)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維展示，可在電阻率異常中清晰地識(shí)別充水型采空區(qū)異常存在（圖5），同時(shí)進(jìn)一步立體化顯示該區(qū)主要發(fā)育多層的充水型采空區(qū)群，為采空區(qū)安全治理提供了可靠依據(jù)。研究表明：CSAMT 法除了可以進(jìn)行大深度礦產(chǎn)資源探測(cè)外［15］，還可以利用其高分辨率和抗干擾性進(jìn)行復(fù)雜人文—電磁環(huán)境下的大深度隱伏多層充水型采空區(qū)群探測(cè)，這給金屬礦山未來(lái)深部安全開(kāi)采中水害超前預(yù)警探測(cè)提供了一種可靠方法。

5 結(jié) 論

（1）依據(jù)BIF 型鐵礦采空區(qū)充填介質(zhì)類(lèi)型的不同及其物性差異特征，劃分出了充水型采空區(qū)和充氣型采空區(qū)，并提出了大深度充水型采空區(qū)探測(cè)技術(shù)方法。

（2）采用CSAMT法進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量，在重點(diǎn)區(qū)段探測(cè)應(yīng)用研究的3 條測(cè)線均識(shí)別出充水型采空區(qū)存在引起的地球物理異常，且經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證。

（3）應(yīng)用鉆孔式三維激光掃描測(cè)量技術(shù)和充水型采空區(qū)地球物理異常三維虛擬實(shí)體技術(shù)精準(zhǔn)驗(yàn)證和重建充水型采空區(qū)異常，顯示在探測(cè)區(qū)發(fā)育大深度隱伏多層充水采空區(qū)群。