unknown怎么处理第37卷第2期
2023年4月南华大学学报(自然科学版)
Journal of University of South China(Science and Technology)
Vol.37No.2Apr.2023
收稿日期:2022-12-12
基金项目：湖南省自然科学基金项目(2023JJ30506)；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(220XCX358)
作者简介：韩世礼(1979 )，男，讲师，博士，主要从事数学地质㊁地球物理勘探㊁环境地质等方面的研究㊂E-mail:
hanshili@126 DOI :10.19431/jki.1673-0062.2023.02.008
高密度电法在非煤矿山老窑采空区探测中的应用
韩世礼1,2，赵㊀艺1,2，麦立坤1,2，柳㊀位1,2，肖㊀健1,2，伍慧琪1,2，王江珊1,2
(1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳421001;2.湖南省稀有金属矿产开发与
废物地质处置技术重点实验室，湖南衡阳421001)
摘㊀要：由于矿山开采存在不明废弃老窑及采空区㊁老窑采空区资料不详㊁边界和积水情况不明等问题，矿山生产存在严重安全隐患㊂本文以湖南冷水江某金属矿山老窑采空区探测为例，采用高密度电法实施了4条物探测量剖面，经数据反演处理解译，共推断出8个采空区异常，其视电阻率特征均为高阻异常，显示其均为非充水采空区，根据已有矿体产出形态，推测采空区体积共约2484m 3，基本确定了采空区的整体情况㊂
关键词：非煤矿山；采空区；高密度电法；冷水江中图分类号:TD745
文献标志码:A
文章编号:1673-0062(2023)02-0054-08
Application of High Density Electrical Method in the Goaf Detection of
Hidden Goaf in Non-Coal Mines
HAN Shili 1,2,ZHAO Yi 1,2,MAI Likun 1,2,LIU Wei 1,2,XIAO Jian 1,2,
WU Huiqi 1,2,WANG Jiangshan 1,2
(1.School of Resource Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,
Hunan 421001,China;2.Hunan Key Laboratory of Rare Metal Minerals Exploitation and Geological Disposal of Wastes,Hengyang,Hunan 421001,China)
Abstract :Due to the problems of unknown abandoned old kiln and goaf in mining,ominous data of goaf of old kiln,unknown boundary and water accumulation,there are se-rious safety risks to mine production.In this paper,the goaf detection of old kiln in a met-
al mine in Lengshuijiang,Hunan Province was taken as an example,and four geophysical survey profiles were implemented by high-density electrical method.Through data
第37卷第2期韩世礼等：高密度电法在非煤矿山老窑采空区探测中的应用2023年4月inversion processing and interpretation,a total of eight goaf anomalies were inferred,and
their apparent resistivity characteristics were all high resistance anomalies,indicating that
they were non-water-filled goaf.According to the form of existing ore bodies,the goaf vol-
ume was estimated to be about2484m3.The whole situation of the goaf is basically deter-
mined,which provides a reliable scientific basis for the treatment of the goaf in the old
kiln of the mine.
key words:non-coal mine;goaf;high density electrical method;Leng Shui Jiang
0㊀引㊀言
近年来，我国非煤矿山的灾害事故频发，为有效防范非煤矿山重大安全风险，坚决遏制重特大事故，开展非煤地下矿山隐蔽致灾因素普查治理工作迫在眉睫㊂采空区是导致坍塌㊁建筑物沉降及地面沉陷的主要原因[1]，采空区主要分为极浅采空区㊁浅层采空区㊁中深采空区和深层采空区[2]㊂对于非煤矿山特别是有金属矿山，由于其围岩岩石力学性质相比煤矿更加稳定，中深部采空区也是近几十年开采造成的，资料相对翔实，因此，非煤矿山的浅部老窑采空区为主要隐患采空区㊂老窑采空区一般指以往或历史上在近地表开采矿石后造成的地下空洞，由于开采历史久远或民间乱采乱挖导致其采空区位置㊁空间大小和积水性不明，严重影响了开采矿山的安全运营[3]㊂
采空区探测根据其深度不同需采取不同的地球物理方法[4]，对于浅层采空区来说，可以应用的物探方法有高密度电阻法[5-6]㊁浅层地震法[7]和瞬变电磁法[8-9]，对于中深采空区来说，可以采用地震法[10]
㊁瞬变电磁法[11-12]㊁可控源音频大地电磁法[13]和音频大地电磁法进行探测[14]㊂由于地球物理探测技术本身的局限性，探测深度越大其纵向分辨率越低[15]㊂因此，浅部采空区地球物理探测横纵方向上分辨率均较高；深部采空区只有达到一定规模才能达到探测效果，而较小采空区及其巷道难以识别，特别是构造控矿的金属矿山，其垂向上存在数条甚至数十条不同深度的平行中段，更是难以具体分辨纵向上各采空区的具体空间位置㊂
对于非煤矿山特别是有金属矿山，其浅部老窑为主要隐患采空区，是导致坍塌㊁建筑物沉降及地面沉陷的主要原因，如浅部老窑采空区积水更是为深部采矿工程的生产带来严重突水隐患㊂高密度电法具有效率高㊁抗干扰能力强㊁探测精准等优点，是我国工程建设地基勘查㊁溶洞和采空区探测的重要地球物理勘探方法之一㊂
湖南省冷水江某金属矿山由于开采历史久远，存在多处老窑采空区盲区，地表已出现多处地面塌陷现象，急需查明盲区内老窑采空区的空间位置，规模，埋深和积水性，为下一步开展隐患治理提供可靠的科学依据㊂
1㊀方法技术简介
高密度电阻率法实际上是多种排列的常规电阻率法，它的基本原理和常规电阻率法相同，是一种以岩土介质的导电性差异为基础的电法勘探方法㊂一次性布设大量电极，结合电测深与电剖面法，可以快
速采集测线范围内的测深数据和剖面数据，达到断面成像的目的㊂通过高密度电法测量系统中的软件，控制着在同一条多芯电缆上布置连接的多个(60~120)电极，使其自动组成多个垂向测深点或多个不同深度的探测断面，根据控制系统中选择的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测断面的深度顺序，可以一次性将多个(几十个甚至几百个)测量电极布设完成，后通过程控式的多路电极转换器选择不同的电极排列组合测量方式和不同的电极间距离来快速高效地采集数据㊂当不同测量电极间排列间距为L时，测量电极距C=nL，依次可以取n=1㊁2㊁3㊁4㊁5 (其中C 为测量电极距,L为最小电极距,n为隔离系数)，每个极距按固定的数据测量装置形式逐渐从左向右移动来完成数据采集工作，数据点则从下到上，从左到右逐渐完成整个地电剖面的数据采集工作㊂通过数据传输软件把探测系统中存储的探测数据调入计算机中，经软件对数据处理后，可自动生成各测深点曲线及各断面层或整体地电断面的图像[16]㊂
第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月
2㊀地质概况及地球物理特征
2.1㊀地质概况
㊀㊀研究区为湖南省冷水江某金属矿山，出露地层有石炭系和上泥盆统，坑道和钻孔揭露到中泥盆统棋梓桥组，其中主要赋矿地层为上泥盆统佘田桥组(D3s2)㊁次为中泥盆统棋梓桥组(D2q)㊂区内构造主
要为北北东至北东向构造又称雪峰山弧形构造带㊂北北东至北东向构造是区内分布范围最广泛的构造，南部以穹窿及短轴背斜为主，中部北部向斜宽缓形态完美，背斜陡窄㊂往西挤压变强烈，弧状弯曲渐显著㊂区内岩浆岩活动频繁，具多期次侵入特点，多为酸性岩浆侵入活动㊂2.2㊀地层地球物理特征
岩土体的电阻率与其岩性㊁孔隙度和含水率密切相关㊂空洞对电流有排斥作用，表现为高电阻率特性，反之，含水时表现为低电阻率特性㊂工作区地层有泥盆系上统锡矿山组兔子塘段(D3x2)，岩性为中厚层泥晶灰岩夹页岩；泥盆系上统锡矿山组长龙界段(D3x1)，岩性以钙质页岩为主；泥盆系上统佘田桥组上段(D3s3)，以泥晶灰岩为主㊂泥晶灰岩㊁页岩均表现为低电阻率特征，近地表第四系黏土㊁粉质黏土表现为低电阻率特征(路基及压实处表现为近地表中高电阻率特征)㊂采空区及塌陷区表现为高电阻率特征(采空区和塌陷区积水则表现为低电阻率特征)㊂综上所述，第四系黏土㊁粉质黏土㊁泥晶灰岩㊁页岩与采空区或塌陷区存在明显电阻率差异，这为该区开展高密度电法勘探提供了良好的物理前提㊂3㊀数据分析及解译
3.1㊀数据采集
本次研究工作投入仪器设备为重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9超级高密度电阻率测量系统，该系统以WDA-1㊁1B超级数字直流电法仪为测控主机，可通过集中式高密度电阻率电缆㊁电极，实现
二维高密度电阻率测量㊂根据任务要求，选取对称四极测深(施伦贝谢尔)㊁温纳装置进行了试验，试验内容包括最大供电极距㊁供电电压㊁供电时间㊁探测深度㊁探测数据的一致性等㊂对称四极测深定量分析优于二极装置，能有效识别采空区顶板㊁埋深和隔板㊂最终选定施仑贝谢尔进行数据采集[16]㊂
根据研究区矿体产出形态㊁场地条件及高密度电法物探方法技术特点，本次共布设高密度电法4条，测线近南北向，线距20m左右，其中S1和S2线长度295m,S2和S3线长度350m，点距均为5m㊂
3.2㊀数据处理
高密度电阻率法数据处理主要分为两个部分即数据预处理和反演计算(见图1)㊂预处理包括数据的转换㊁拼接合并㊁排序㊁突变点剔除㊁滤波等；反演计算主要采用高密度二维反演软件进行计算，并绘制成视电阻率等值线图㊂本次工作反演主要采用的是基于圆滑约束的最小二乘法，该方法在使用相对较少的计算机内存的基础上可以实现快速㊁大量的计算，其效率为常规的最小二乘法的数倍[16]
㊂
图1㊀高密度电法数据采集和数据处理流程纲要图[16]
Fig.1㊀Flow chart of high-density electrical data
acquisition and data processing[16]
3.3㊀测线推断解译
1)高密度电法S1线
根据S1线高密度电法二维反演成果图(见图2)，剖面总体视电阻率不高，深度在2~15m 近地表附近，呈现为多个局部中高阻特征，推测由第四系黏土㊁粉质黏土或人工素填土压实引起，如测线的0~40m中高阻即处于交通道路旁的路基上㊂深部总体表现为低电阻率特征，推测由泥盆系上统锡矿山组兔子塘段(D3x2)㊁长龙界段(D3x1)㊁佘田桥组上段(D3s3)的泥晶灰岩和页岩引起，各岩性分界线划分主要结合地质资料和电阻率曲线相对密集带综合推断㊂剖面中出现的相对高阻异常区，推测由未积水的采空区或已塌陷的采空区引起㊂S1线通过高密度电法探测共推断出1处采空区(如图3所示)，命名为S1-1，位于测线的192~208m之间，高程在472~484m 之间㊂
第37卷第2期韩世礼等：高密度电法在非煤矿山老窑采空区探测中的应用2023年4
月
图2㊀S1线高密度电法视电阻率反演图
Fig.2㊀High density apparent resistivity inversion map of S1
line
图3㊀S1线高密度电法推断解译图
Fig.3㊀Inference of high density electric method of S1line
㊀㊀2)高密度电法S2线
由图4可以看出,S2线剖面整体视电阻率不
高，深度在2~15m 近地表范围内，表现为多个局部中高阻特征，推测由第四系黏土㊁粉质黏土或人工素填土压实引起㊂测线的50~130m 的深部出现明显狭长电阻率梯度密集带，推测由泥盆系上统佘田桥组中断硅化层(D 3s 2g )，即不同硅化程度
的灰岩引起㊂中深部总体表现为低电阻率特征，推测由泥盆系上统锡矿山组兔子塘段(D 3x 2)㊁长龙界段(D 3x 1)㊁佘田桥组上段(D 3s 3)的泥晶灰岩和页岩引起，各岩性分界线划分详见图5的推断解译图㊂剖面中未出现近椭圆或狭长高阻采空区异常区
㊂
图4㊀S2线高密度电法视电阻率反演图
Fig.4㊀High density apparent resistivity inversion map of S2line
第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4
月
图5㊀S2线高密度电法推断解译图
Fig.5㊀Inference of high density electric method of S2line
㊀㊀3)高密度电法S3线
根据S3线高密度电法二维反演成果图(如
图6所示)，剖面总体视电阻率不高，深度在2~
15m 近地表范围内有多个局部中高阻异常，推测由第四系黏土㊁粉质黏土或人工素填土压实引起㊂
测线的40~110m 的深部出现明显狭长电阻率梯度密集带，推测由泥盆系上统佘田桥组中断硅化层(D 3s 2g )，即不同硅化程度的灰岩引起㊂深部总体表现为低电阻率特征，推测由泥盆系上统锡矿
山组长龙界段(D 3x 1)㊁佘田桥组上段(D 3s 3)的泥晶灰岩和页岩引起，各岩性分界线划分主要结合地质资料和电阻率曲线相对密集带综合推断(详见图7的推断解译图)㊂S3线共推断出3处采空区(见图7)，分别命名为S3-1㊁S3-2和S3-3㊂其中S3-1位于测线的100~120m 之间，高程在498~
504m 之间;S3-2位于测线的152~176m 之间，高程在500~512m 之间;S3-3位于测线的200~220m 之间，高程在496~504m 之间
㊂
图6㊀S3线高密度电法视电阻率反演图
Fig.6㊀High density apparent resistivity inversion map of S3
line
图7㊀S3线高密度电法推断解译图
Fig.7㊀Inference of high density electric method of S3line
㊀㊀4)高密度电法S4线从图8的二维反演成果图可以看出,S4线剖
面总体视电阻率不高，近地表2~12m 范围内具有多个局部中高阻异常，推测由第四系黏土㊁粉质

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