1、收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()中央高校基本科研业务费专项资金资助项目().作者简介:王恩德()男辽宁盖州人东北大学教授博士生导师.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.基于三维高密度电阻率法的露天铁矿山采空区精准探测王恩德 沈 剑 李 彬 袁 昆(东北大学 资源与土木工程学院 辽宁 沈阳 辽宁有色勘察研究院有限责任公司 辽宁 沈阳 辽宁省地质矿产研究院有限责任公司 辽宁 沈阳)摘 要:针对露天铁矿山地下隐伏采空区精准探测的技术难题以某露天铁矿山实际矿床地质特征和不同岩矿体电阻率值为基础建立三种异常识别模型分析横向电性不均一条件下采空区的异常响应特
2、征得到了地电场分布规律并通过现场试验进行应用研究.结果表明:异常识别模型能够较准确地模拟地电场分布三维高密度电阻率法在大面积探测工作中能够有效克服二维高密度电阻率法体积效应对采空区位置精准判别的干扰减弱了异常扩展等效应.关 键 词:三维高密度电阻率法采空区异常识别模型异常响应特征三维成像声呐技术中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):.:由于历史遗留原因和矿产资源开采方式华北地区大型沉积变质露天铁矿存在大量采空区和废旧巷道这些采空区规模、空间结构均没有较为详尽的资料为矿山的生产安全埋下隐患.随矿山开采活动持续进行采空区顶板厚度逐渐减小矿坑深度不断加深极易诱发塌陷、突水、变形等矿山次生
3、灾害轻则造成矿山设备损坏重则造成矿山人员伤亡严重威胁矿山生产安全.为了解决隐伏采空区所带来的安全隐患国内外学者在采空区探测方面取得了众多成果采空区探测方法主要有地球物理勘探、结合采场情况进行调查、工程地质钻探等.早期采空区探测主要用于地质找矿和军事西方国家主要采用物探技术探测采空区较为全面地发展了高密度电阻率法、地震法等.亚洲地区日本采用工程物探技术探测地下空洞及岩溶.欧洲地区英、法等国采用地质雷达法探测地下裂隙及采空区.国内主要采用地球物理勘探方法和工程地质钻探方法探测采空区近年来也发展了很多方法如地理信息系统技术、卫星遥感技术等.通过建立三种异常识别模型分析异常响应特征得到地电场分布规律以
4、华北地区某露天铁矿山采空区为背景利用三维高密度电阻率法对采空区进行探测应用地电场分布规律对勘探数据进行解译并采用工程钻探验证方法和三维成像声呐技术进行验证从而检验三维高密度电阻率法在复杂地质条件下采空区精准探测的适用性及勘探结果的准确性.三维高密度电阻率法原理在实际工程地质问题中传统的二维高密度电阻率法测量的是某一剖面的电阻率值仅只能反映地下异常体某一剖面的地电信息和分布状况不仅造成目标体及异常范围定位不准确还会受到异常扩展效应等影响.然而地下异常体往往是形态复杂的三维结构应用三维高密度电阻率法可以从不同方向观察异常体的位置及电阻率的变化情况反映出地下异常体的空间分布状态准确圈定出异常范围能够
5、极大提升反演精度.三维高密度电阻率法是一种以岩矿体与地下异常体之间的电性差异为基础观测由人工向地下异常体激发稳定电场所形成的地电场分布规律的新方法同时集合了测深法和剖面法的优点.在整个区域或部分区域通过采用多极矩、多装置的方式一次布极且电极按照相应的排列方式布设三维高密度电阻率法测线.采集三维电阻率数据从多角度对三维地电信息进行分析可以极大程度地提高探测目标体的准确度.相比于传统的二维高密度电阻率法有着不可比拟的优点:)三维高密度电阻率法测线可以在任意位置按照任意布极方式布设在目标勘探区域内适应能力更强提高了施工人员的可操作性)绘制形体渲染效果图、等值线图、电阻率切片图及多角度直观反映地下异常
6、体的三维立体结构)采集的三维高密度电阻率数据通过赋加更多的约束条件使得反演结果更加精确.三维高密度电阻率法地质 地球物理采空区异常识别模型 采空区异常识别模型地球物理参数为了真实反映各岩矿体的电阻率值以便更好地模拟采场的地质条件选择富矿体裸露明显且矿体与围岩界限分明的典型剖面采用露头法进行电阻率原位测线如图 所示.测线总长为 电极极距为 主要岩矿体分为围岩、贫矿和富矿其中围岩主要为绢云母、石英片岩以石英、绢云母等非金属矿物为主贫矿体主要由非金属矿物(石英)和金属矿物(镜铁矿)等矿物组成富矿体成分主要由金属矿物(赤铁矿)组成并测得各岩矿体的电阻率值如表 所示.图 岩矿体电阻率原位测试结果 ()岩
7、矿体电阻率测定()()岩矿体电阻率原位测试现场图.不同地质条件下的采空区异常识别模型由表 可知同种岩矿体在各点测得的电阻率值不同但在较小的范围内波动因此将平均电阻率值作为模型中各岩矿体的电阻率值.通过采用三维激光扫描生成三维立体模型确定采空区形态近似为半椭圆体.测区范围内的采空区被地下水充填赋存在富矿中将采空区电阻率值设定为 .根据研究区域内的实际矿床地质特征和各岩矿体的电阻率值建立三维高密度电阻率法地质 地球物理采空区异常识别模型.第 期 王恩德等:基于三维高密度电阻率法的露天铁矿山采空区精准探测 表 岩矿体电阻率值 岩矿体电阻率测量值/()平均电阻率值 富矿 贫矿 围岩 若测线范围内采空区
8、赋存在品位较高的富矿体中无其他地质体干扰建立简单地质条件下的异常识别模型如图 所示.向和 向均设置电极数 个极距 向设置 层每层厚采空区形状设计为半椭圆体埋深为图 简单地质条件下的异常识别模型 ()采空区异常识别模型()形体渲染效果图()方向切片图.深度为 于水平方向 .形体渲染效果如图 所示 方向切片图如图 所示均出现低阻异常区域反映采空区的存在.形状近似为半椭圆形位于水平范围 垂直方向 与模型设定值较吻合可以较好地反映出采空区的边界范围.若测线范围内除了品位较高的富矿体外两端还有围岩存在时建立异常识别模型如图 所示.向和 向均设置电极数 个极距 向设置 层每层厚 设定富矿的地表水平范围为
9、设定围岩的地表水平范围为 产状陡倾采空区形状设计为半椭圆体埋深 深度 位于水平范围 .在形体渲染效果图(图)和 方向切片图(图)中均出现低阻异常区域、次高阻异常区域和高阻异常区域依次反映采空区、富矿和围岩的存在.黑色虚线表示富矿体与围岩之间的界限圈定出充水采空区的范围.采空区形状近似为半椭圆形位于水平范围 垂直方向 底部区域略微扩大与模型设定边界范围较为接近较好地反映出采空区的边界范围.围岩位于水平范围 底部区域略微缩小与模型设定值相差不大较好地反映出富矿与围岩的界限左侧围岩底部区域产状为近垂直状态与设定的陡倾状态相比反映较差.若测线范围内除了围岩和质量分数较高的富矿体外还有品位较低的贫矿存在
10、建立复杂地质条件下的异常识别模型如图 所示.向和 向均设置电极数 个极距 向设置 层每层厚 设定富矿的地表水平范围为东北大学学报(自然科学版)第 卷 图 两端有围岩存在的异常识别模型 ()采空区异常识别模型()形体渲染效果图()方向切片图.贫矿的地表水平范围为 围岩的地表水平范围为 产状倾斜采空区形状设计为半椭圆体埋深 深度 位于水平范围 如图 所示.形体渲染效果图如图 所示 方向切片图如图 所示均出现低阻异常区域、弱低阻异常区域、次高阻异常区域和高阻异常区域依次反映采空区、富矿、贫矿和围岩的存在.黑色虚线表示矿体与围岩之间的界限也圈定出充水采空区的范围.采空区近似为半椭圆形位于水平范围 垂直
11、方向 底部区域略微扩大与模型设定值相差不大较好地反映出采空区的边界范围.围岩位于水平范围 底部区域略微缩小与模型设定值较吻合较好地反映出矿体与围岩的界限左侧围岩底部区域产状为近垂直状态与设定的陡倾状态相比反应较差.综上所述三维高密度电阻率法反演结果能够较准确地反映异常区域的形状、位置及边界范围但在实际工程中应详细了解现场地质条件以便解译时排除其他地质体对探测结果产生的影响.图 复杂地质条件下的仿真模型 ()采空区异常识别模型()形体渲染效果图()方向切片图.第 期 王恩德等:基于三维高密度电阻率法的露天铁矿山采空区精准探测 探测实例分析 研究区域地质概况研究区域为华北地区某大型沉积变质型露天铁
12、矿矿区总体走向呈南北向局部区域走向呈 型倾向偏东南向倾角 .依据矿物的成因将研究区域内的矿体分为两类:砾岩型和沉积变质型.砾岩型铁矿矿体产状较为平缓倾角为 倾向偏南东向矿体与袁家村组沉积变质岩系呈角度不整合接触砾石分选性较差大多为棱角状滚圆度较好.沉积变质岩型铁矿矿体倾向偏东向倾角为 走向近似为南北向矿体主要呈似层状少数矿体呈不规则状.研究区域内矿石矿物主要包括赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿和闪石型矿石等.大多数矿物具有条带或条纹状构造条带宽为 脉石矿物主要为石英其次有较少的方解石、绿泥石、铁白云石、铁滑石等矿物多呈自形、半自型或它形.岩石类型主要包括岩浆岩、片岩和石英岩三类岩石.数据采集与解译探测区
13、域为华北地区某大型沉积变质型露天铁矿某生产平台平台近南北方向展布地质条件复杂富矿和贫矿附近多有围岩发育根据现场地质特征布置测线方向近东西向测线间距为 电极间距为 测线总长为 采集该平台的电阻率数据如图 所示.图 采空区测线布置图 应用三维成图软件 对反演结果进行三维可视化处理获得三维立体效果如图 所示.根据复杂地质条件下异常识别模型的地电场分布规律从等值线渲染图 及 的 切面图、图 中可以推断出高阻极值区域反映为围岩次高阻异常区域反映为贫矿弱低阻异常区域反映为富矿.两个较大的低阻异常区域其顶部收敛底部发散反映为水充填型采东北大学学报(自然科学版)第 卷 图 平台三维立体效果图 ()等值线渲染图
14、()的 方向切片图()三维模型()的 方向切片图()三维模型.空区分别位于水平 向 向 水平 向 向 .由此可知水充填型采空区赋存在富矿中矿体周围有围岩的发育符合该区域的地质特征.为验证三维高密度电阻率法探测采空区的准确性分别在水平 向 向 水平 向 向 布置工程验证钻孔根据钻孔验证结果分别在垂直方向范围 出现水充填型采空区基本吻合上述的探测结果.采用三维声呐成像技术对 进行现场探测将声呐探头沿钻孔进入采空区内部沿着锥形方向发射声呐信号由接收阵接收反射回来的声学信号获取探测距离和地理坐标等数据这些数据经过处理后生成 的三维空间模型如图、图 所示.其中 长 宽 高 长 宽 高 与三维高密度电阻率
15、法探测结果相差不大.该模型准确获取了采空区的走势、位置及形态为勘探结果提供可靠验证同时能够为采空区勘探数据解译提供依据.结 论)本文充分考虑复杂地质条件对三维高密度电阻率法探测的影响依据实际矿床地质特征和不同岩矿石的电阻率值建立三种异常识别模型分析横向电性不均一条件下采空区异常响应特征都能较准确地模拟出地电场的分布为复杂地质条件下采空区勘探数据解译提供理论支持和新思路.)三维高密度电阻率法在大面积探测工作中克服了二维高密度电阻率法体积效应对采空区位置精准判别的干扰减弱了异常扩展效应及旁侧效应等影响从不同角度直观立体展示地下异常体的空间分布状态准确圈定出异常范围结果收敛降低了多解性极大提高了反演
16、精度能够有效解决复杂地质条件下采空区精准探测技术难题.)利用工程钻探验证方法和三维声呐成像技术准确获取采空区的走势、位置及形态为勘探结果提供可靠验证能够为采空区勘探数据解译提供依据.参考文献:王高峰.袁家村铁矿采空区处理生产实践.矿业工程():.(.():.).():.(/):.():.():.():.(/):.().():.():.沈保丰宋亮生李华芝.山西省岚县袁家村铁建造的沉积相和形成条件分析.长春地质学院学报():.(.():.)门业凯耿蓉蓉尤欣慰等.山西袁家村组变沉积岩地球化学特征及构造意义.东北大学学报(自然科学版)():.(.()():.)第 期 王恩德等:基于三维高密度电阻率法的露天铁矿山采空区精准探测
