高密度电法在非煤矿山老窑采空区探测中的应用_韩世礼.pdf

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.37 No.2Apr.2023收稿日期:20221212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、地球物理勘探、环境地质等方面的研究。E-mail:hanshili 126comDOI:10.19431/ki.16730062.2023.02.008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，赵艺1，2，麦立坤1，2，柳位1，2，肖健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)摘要:由于矿山开采存在不明废弃老窑及采空区、老窑采空区资料不详、边界和积水情况不明等问题，矿山生产存在严重安全隐患。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 2 484 m3，基本确定了采空区的整体情况。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:16730062(2023)02005408Application of High Density Electrical Method in the Goaf Detection ofHidden Goaf in Non-Coal MinesHAN Shili1，2，ZHAO Yi1，2，MAI Likun1，2，LIU Wei1，2，XIAO Jian1，2，WU Huiqi1，2，WANG Jiangshan1，2(1School of esource Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;2Hunan Key Laboratory of are Metal Minerals Exploitation andGeological 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 ametal mine in Lengshuijiang，Hunan Province was taken as an example，and four geophys-ical survey profiles were implemented by high-density electrical method Through data in-45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version processing and interpretation，a total of eight goaf anomalies were inferred，andtheir apparent resistivity characteristics were all high resistance anomalies，indicating thatthey were non-water-filled goaf According to the form of existing ore bodies，the goaf vol-ume was estimated to be about 2 484 m3 The whole situation of the goaf is basically deter-mined，which provides a reliable scientific basis for the treatment of the goaf in the oldkiln of the minekey words:non-coal mine;goaf;high density electrical method;Leng Shui Jiang0引言近年来，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。采空区是导致坍塌、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、浅层采空区、中深采空区和深层采空区2。对于非煤矿山特别是有色金属矿山，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。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、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。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、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、瞬变电磁法11-12、可控源音频大地电磁法13 和音频大地电磁法进行探测14。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。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。对于非煤矿山特别是有色金属矿山，其浅部老窑为主要隐患采空区，是导致坍塌、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。高密度电法具有效率高、抗干扰能力强、探测精准等优点，是我国工程建设地基勘查、溶洞和采空区探测的重要地球物理勘探方法之一。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。1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。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。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(60120)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。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=1、2、3、4、5(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。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。55第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月2地质概况及地球物理特征21地质概况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)、次为中泥盆统棋梓桥组(D2q)。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。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。往西挤压变强烈，弧状弯曲渐显著。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。22地层地球物理特征岩土体的电阻率与其岩性、孔隙度和含水率密切相关。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。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。泥晶灰岩、页岩均表现为低电阻率特征，近地表第四系黏土、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)。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)。综上所述，第四系黏土、粉质黏土、泥晶灰岩、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。3数据分析及解译31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-1、1B 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、电极，实现二维高密度电阻率测量。根据任务要求，选取对称四极测深(施伦贝谢尔)、温纳装置进行了试验，试验内容包括最大供电极距、供电电压、供电时间、探测深度、探测数据的一致性等。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、埋深和隔板。最终选定施仑贝谢尔进行数据采集16。根据研究区矿体产出形态、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 20 m 左右，其中 S1和 S2 线长度 295 m，S2 和 S3 线长度 350 m，点距均为 5 m。32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)。预处理包括数据的转换、拼接合并、排序、突变点剔除、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。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、大量的计算，其效率为常规的最小二乘法的数倍16。图 1高密度电法数据采集和数据处理流程纲要图16 Fig1Flow chart of high-density electrical dataacquisition and data processing16 33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 215 m 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、粉质黏土或人工素填土压实引起，如测线的 040 m 中高阻即处于交通道路旁的路基上。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)、长龙界段(D3x1)、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。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。S1 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192208 m 之间，高程在 472484 m 之间。65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 2S1 线高密度电法视电阻率反演图Fig2High density apparent resistivity inversion map of S1 line图 3S1 线高密度电法推断解译图Fig3Inference of high density electric method of S1 line2)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 215 m 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、粉质黏土或人工素填土压实引起。测线的 50130 m 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(D3s2g)，即不同硅化程度的灰岩引起。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(D3x2)、长龙界段(D3x1)、佘田桥组上段(D3s3)的泥晶灰岩和页岩引起，各岩性分界线划分详见图 5 的推断解译图。剖面中未出现近椭圆或狭长高阻采空区异常区。图 4S2 线高密度电法视电阻率反演图Fig4High density apparent resistivity inversion map of S2 line75第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月图 5S2 线高密度电法推断解译图Fig5Inference of high density electric method of S2 line3)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 215m 近地表范围内有多个局部中高阻异常，推测由第四系黏土、粉质黏土或人工素填土压实引起。测线的 40110 m 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(D3s2g)，即不同硅化程度的灰岩引起。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(D3x1)、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(详见图 7 的推断解译图)。S3 线共推断出 3 处采空区(见图7)，分别命名为 S3-1、S3-2 和 S3-3。其中S3-1 位于测线的 100120 m 之间，高程在 498504 m 之间;S3-2 位于测线的 152176 m 之间，高程在 500512 m 之间;S3-3 位于测线的 200220m 之间，高程在 496504 m 之间。图 6S3 线高密度电法视电阻率反演图Fig6High density apparent resistivity inversion map of S3 line图 7S3 线高密度电法推断解译图Fig7Inference of high density electric method of S3 line4)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 212 m 范围内具有多个局部中高阻异常，推测由第四系黏土、粉质85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 月黏土或人工素填土压实引起。深部整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(D3x1)、佘田桥组上段(D3s3)的泥晶灰岩和页岩引起，各岩性分界线划分见图 9 的推断解译图。S4 线通过高密度电法探测共推断出 4 处采空区，分别命名为 S4-1、S4-2、S4-3 和 S4-4。其中 S4-1位于测线的 124144 m 之间，高程在 496508 m之间;S4-2 位于测线的 190 200 m 之间，高程在510520 m 之间;S4-3 位于测线的 224244 m 之间，高程在 510520 m 之间;S4-4 位于测线的 288300 m 之间，高程在 508516 m 之间。图 8S4 线高密度电法视电阻率反演图Fig8High density apparent resistivity inversion map of S4 line图 9S4 线高密度电法推断解译图Fig9Inference of high density electric method of S4 line4综合推断解译各剖面共推断出 8 个采空区异常，由于矿体形态多呈豆荚和扁豆状，经常出现矿体膨大缩小现象，造成采空区的形态很多类似于椭球体，因此，对于单条测线异常的体积估算，根据异常剖面图测量其椭圆长半轴 a 值和短半轴 b 值，其极半径长度按短半轴 b 值估算。各剖面异常体积估算详见表 1，测区估算采空区体积共约 2 484 m3。表 1研究区推断采空区异常体积估算表Table 1Estimation table of abnormal volume of inferred goaf in study area异常编号长半轴 a/m短半轴 b/m极半径 c/m体积/m3S1-1955293S3-11055259S3-21188939S3-3844171异常编号长半轴 a/m短半轴 b/m极半径 c/m体积/m3S4-1944147S4-2655200S4-31055340S4-455513595第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月根据研究区各剖面异常推断解译，并结合地质情况加以综合评价，将其异常投影到平面图中，其单独异常(相邻测线无异常)按其对应测线起止点号长度为投影平面椭圆形的长轴，其短轴按其长轴的 1/2 估算，如相邻测线线距较小，其短轴取线距的 1/2 长度。多个测线相邻位置均推断有采空区的，投影平面边界使用三次样条曲线连接各异常投影平面的外边界进行勾画。研究区共推断出 6 处采空区平面异常(表 2)，多条剖面同时反映的采空区且体积、投影面积较大者，危险性较大。因此，通过本次高密度电法探测，推断采空区危险性相对较高的异常为 SK-3 和 SK-4。需要说明的是采空区投影平面图仅代表推断的可能采空区平面范围，其体积主要以上述各异常体体积估算为主。表 2高密度电法推断采空区平面投影信息表Table 2Plane projection information of goaf inferred by high-density electrical method编号对应剖面异常编号投影到平面的长度/m投影到平面的宽度/m异常投影到平面面积/m2高程范围/m体积/m3积水SK-1S1-116896472484293无积水SK-2S3-1189128498504259无积水SK-3S3-2、S4-1562111324965121 086无积水SK-4S3-3、S4-26715924496520371无积水SK-5S4-32020179510520340无积水SK-6S4-414775508516135无积水5结论1)研究区围岩以泥晶灰岩、页岩为主，各剖面视电阻率整体较低，推断采空区视电阻率显示相对高阻异常。由于推断采空区均以高阻异常为特征，故推测采空区无明显积水。2)单条剖面采空区体积和投影面积较小者，危险性较小;多条剖面同时反映的采空区且体积、投影面积较大者，危险性较大。本次推断采空区危险性相对较高的异常为 SK-3 和 SK-4。3)高密度电法在该矿区采空区探测中取得了较好的效果，为后续的治理提供了有效的科学依据，为非煤矿矿山采空区探测提供了参考实例。参考文献:1彭赟，李燕，杨淮瞬变电磁法在积水采空区探测中的应用:以贵州某煤矿为例J 工程地球物理学报，2019，16(6):849-855 2刘国勇，杨明瑞，王永刚高密度电法在煤矿积水采空区探测中的应用 J 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期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023 年 4 月钠-膨胀石墨复合相变材料可较好的应用于太阳能相变蓄热炕，使太阳能相变炕具有较好的蓄放热性能。5结论1)将太阳能热水供应与相变蓄热炕相结合，系统兼顾卫生热水供应和炕体相变蓄热的需要，从而提高系统性能和效益，为北方农村地区传统火炕绿色、节能改造提供了参考。2)探究了太阳能相变蓄热炕各影响因素对炕体蓄放热性能的影响，得出:太阳能相变蓄热炕应选择高于相变材料融化结束点 35 的供水温度，选择相变温度较高、相变温度范围小、高潜热、较高导热的相变材料。3)选取十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料作为炕体的蓄热材料，通过对炕体的 24 h蓄热放热性能模拟分析表明:太阳能相变蓄热炕的垫面温度昼间可达到 17.1，夜间可达到30.3，可以很好地满足居民的热舒适要求。参考文献:1李刚，李小龙，李世鹏，等太阳能辅助火炕供暖系统热工性能J 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2014，30(2):305-311 2黄超，郑辉，杨振民，等石蜡复合混凝土太阳能相变蓄能炕系统的热性能研究 J 西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2018，50(1):111-116 3宗弘盛，杨兆晟，张群力，等梯级相变蓄热装置蓄放热性能模拟研究J 可再生能源，2021，39(5):618-625 4王佩祥，冯秀娟，朱易春，等利用膨胀石墨改进十二水磷酸氢二钠复合相变材料的蓄热性能J 材料导报，2020，34(18):18044-18048 5任学明，沈鸿烈，杨艳膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究J 功能材料，2019，50(6):6008-6012 6杨世铭，陶文铨传热学 M 4 版北京:高等教育出版社，2006:557-558 7李净西北乡域住宅冬季睡眠热环境调查分析 D 西安市:西安建筑科技大学，2016:28-29 8黄莉，朱颖心，欧阳沁，等北京地区农宅供暖季室内热舒适研究 J 暖通空调，2011，41(6):83-85(上接第 44 页)11鲜于文攀，吕小波，赵其华，等不同加载条件下含预制单裂隙岩石强度和变形特性研究J 中国测试，2017，43(12):124-129 12 NEMAT-NASSE S，HOII HCompression-inducednonlinear crack extension with 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