活性炭测氡及瞬变电磁法在矿山采空区调查中的应用研究

陈兴峰，武兴隆，张 彦

（天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301800）

近年来，随着我国社会经济不断发展，对金属资源需求量越来越大。在一些矿山开采矿炭过程中，随着矿炭不断运出，形成矿山采空区。如矿山采空区不再进行加固，且不进行回填，将会造成一定地质灾害[1]。例如地面塌陷、沉降，形成积水。对矿山采空区探测物探方法进行分析研究，有利于为目前地质灾害治理提供帮助。

1 调查区环境地质概况

调查区总的地势为南高北低。调查区地貌单元类型单一，微地貌形态较复杂。区内沟谷纵横，切割强烈，冲沟发育，呈树枝状分布。

小南村井田地表为黄土半掩盖区，基岩多出露于沟谷两侧。根据区域地质资料和地表出露情况，井田内地层由老到新依次为下古生界奥陶系，上古生界石炭系和二叠系及新生界第四系。

本区含矿地层为石炭系本溪组、太原组，石炭系本溪组、二叠系山西组因沉积环境限制，矿层极薄，且自然分层复杂，连续性较差，无开采价值。主要含矿地层为太原组，厚度87m～118m，含可采或局部可采矿层2层，编号由上而下为2号矿层、5号矿层。小南村矿区批准开采矿层为一层，即5号矿层。

小南村井田位于南山矿区东北部，经地面勘查及井下揭露，地层倾角10°～15°，平均12°左右，为缓倾斜地层。井田面积较小，所在区域经过的断裂较少，井田内未发现陷落柱，无岩浆岩体侵入。除了梁家沟断层以外分布5条小断层。

本矿区位于中山区与地表分水岭处，大气降水量少，地表蒸发量大，人口不多，无工矿企业大量取水，小南村矿山业已停止生产，排出的地下水水量很小且做为当地居民的生活用水，在这种自然环境条件下，均保持自然补给、径流、排泄状态。

2 活性炭测氡及瞬变电磁法

2017年，在小南村调查区开展比例尺为1∶5000(测网：（50m×10m）的活性炭测氡工作。测线170°布设，调查区面积为0.68km2，共获取428个测点氡浓度数据。瞬变电磁测深选取9号氡测线的同点位测量，取得14个数据。

2.1 活性炭测氡理论依据

当地下矿层被采出后破坏了岩体中原有的天然应力状态，逐渐产生岩石破碎带、断裂，进而改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用[2]。主要表现为三个方面，储气、集气、通道作用。通过上述作用，氡射气元素向岩石断裂破碎带运移，在裂隙集聚，在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区。

2.2 瞬变电磁测深理论依据

根据地质资料可知勘探区内地层从新到老依次为新生界地层，古生界二叠系上统上石盒子组、下统下石盒子组和山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组及奥陶系中统峰峰组。当地层完整，没有地质构造及采空破坏时，电阻率断面电性特征明显从上到下逐渐升高。地下的矿层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大，会出现相对高阻异常区。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相对低阻异常区。因为采空区存在这样电阻率差异的前提，因此本次勘探选择对电阻率差异反映比较敏感瞬变电磁进行施工。据收集的资料得知整套地层的电阻率在纵向上呈现为低～中～高的特征反映，为A型(如表1)。本区的瞬变电磁勘探背景条件较好，具备瞬变电磁勘探的地球物理前提。

表1 调查区地层电性一览表

3 采空区断面解释

3.1 采矿层特征

太原组为本井田主要含矿地层。2号、5号矿层为可采矿层，批准采矿层为5号矿层，特征是：采空区主要位于矿区南部，由南山矿山采矿活动形成，底板标高1160.79m～697.50m深247.12m～564.82m矿 层 厚 度6.26m～13.26m，平均为9.70m。采空区总面积约1.02km2；靠近南部地表矿层露头附近，有大片的采空及破坏区。

3.2 采空区异常特征及解释原则

通过调查区试验总结出采空区TEM异常特征为：①表现为视电阻率的横向分带性，视电阻率值沿测线具有一定的变化；②低阻异常特征；③形态上表现为向下弯曲低阻及相对低阻。因此在TEM视电阻率断面图上具有上述特征的异常均推断为采空（破坏）区。活性炭测氡法氡值异常特征：①氡值一般明显偏高；②氡值无规律跳跃区域。总结试验采空区特征，排除相对异常问题，保证解释具有较好的客观性。同时考虑到瞬变电磁法早期信号存在一定的盲区，会缺失浅部地层地质信息。须结合试验采空TEM异常特征、氡异常特征和地质调查结果，对调查区的TEM视电阻率断面图及氡浓度等值线图进行综合解释，划出异常空间分布。

3.3 采空区推断解释

图1 氡浓度等值线图

数理统计得，调查区氡浓度值在157.1Bq/m3～25761.1Bq/m3之间，背景值为1443.8Bq/m3，标准偏差为658.4Bq/m3，变异系数为0.46。以活性炭氡浓度2000Bq/m3左右为异常下限，可圈出3处异常区（见图1）。由图可知，调查区氡浓度异常分布规律性较明显，大致呈北东45°方向展布，和地质勘测采空区范围及形态基本吻合。异常氡浓度值最高的是YCQ-2，推测这处采空区空间分布相对较大。

为了解采空区的含水情况及垂向分布特征，沿活性炭测线9线12点～60点布设瞬变电磁测深工作，对其成果解释如下：

图2为900线电阻率反演面图，图中电阻率等值线出现向下凹陷且等值线变密特征的区段主要在9线的2000号～2100号、2110号～2200号、2340号～2450号、2490号～2640号测点之间，电阻率值相对较低，与采空区电性特征反映极为相似，推测为5号矿层采空区的电性反映。特别是在2340段～2450段，等值线下凹尤为明显，存在积水的可能性较高。

图2 9线瞬变电磁法电阻率反演断面图

ZK-1钻孔布设于瞬变电磁测深9线2340段～2450段。经施工验证发现钻孔全孔浆液消耗量偏大，且钻孔所取岩芯破碎，钻孔在距地面108.33m深度以下出现泥浆全漏、消耗量为全泵量，出现突然发生掉钻、埋钻情况甚至无法取芯等现象，与物探推测5号矿层采空区位置一致。

4 结论

在矿山采空区探测应用活性炭测氡是一种较高效、实用的物探方法，它能够有效解决采空区范围分布问题；瞬变电磁法作为一种时间域的电磁勘探方法，具有信噪比高、穿透高阻能力强等优点，能够有效反映深部采空区信息。通过两种方法的优势互补，一定程度可有效圈定积水重点地段，为钻孔布设提供一定依据，同时钻孔验证结果佐证了物探方法是有效的。