CN105510981A - 一种磁铁矿采空区地球物理判定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种磁铁矿采空区地球物理判定方法和装置，涉及金属矿与地球物理勘探领域，包括：确定待估区中的高磁异常区域；圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。可以在实地调查和区域地质资料分析的基础上，通过综合分析对比两种方法资料，研究铁矿采空区的分布特征。

Description

一种磁铁矿采空区地球物理判定方法和装置

技术领域

本发明涉及金属矿与地球物理勘探领域，具体涉及一种磁铁矿采空区地球物理判定方法和装置。

背景技术

磁铁矿是我国国民经济建设最重要的矿产资源之一。磁铁矿的主要成分为Fe₃O₄，集合体为致密块状或粒状。颜色为铁黑色，条痕呈黑色，金属光泽或半金属光泽，不透明。含铁量为72.4％，是最重要的铁矿石。磁铁矿分布广，有多种成因，有岩浆成因矿床、与火山作用有关的矿浆直接形成的铁矿、接触变质形成的铁矿、含铁沉积岩层经区域变质作用形成的铁矿等。华北陆块是中国最大的陆块，也是地质历史演化最久，发育较为齐全，构造岩浆活动极为复杂的地区。其主要为火山沉积变质型铁矿床。是我国重要铁矿资源的分布区，铁矿石主要开采区，也是我国钢铁工业的重要分布区。

随着铁矿资源的大规模开采利用，产生了许多不良的生态环境效应。铁矿采空区致使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形，巷道维护困难，地表坍塌，有的矿区出现了大面积的地面沉陷，产生了地表裂缝。给矿区的安全生产和居民生活造成严重威胁。特别是采空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏，这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。采空区的分布不明还会为铁路的修建埋下巨大的隐患，并且会对以后铁路的安全运营产生巨大的不利影响。对于铁矿采空区进行地球物理勘探十分必要。

目前，用于采空区探测的地球物理方法主要有电法勘探、地震勘探、核磁共振、重力勘探、磁法勘探以及地球物理计算机层析成像、遥感技术等。2007年，王俊茹、张吉恒等采用瞬变电磁法对青岛至兰州高速公路采空区进行勘察取得了良好的效果；徐白山等应用地震波法对矿山采空区进行了探测，取得不错的效果。河南有色金属第七地质大队薛金芳等人运用高密度电法在煤矿采空区进行了探测，证明高密度电法探测采空区更为精确，但探测深度相对较浅(100米以内)且观测结果受地下游离电流的影响。2005年河北地球物理勘察院彭朝辉，张家奇等使用高精度磁测，电阻率剖面法和激发极化法对冀东式沉积变质型铁矿采空区进行了常规地球物理勘探工作，指出了铁矿采空区的激发极化特征和磁性特征，并根据磁性异常的位置结合高极化率异常和电阻率异常推断了采空区的位置，但异常中心的对应不是很理想；李书华，张福祥等使用高精度磁测，大地电磁层析法对莱芜铁矿矽卡岩型铁矿采空区进行了综合地球物理勘探，指出了高精度磁测在铁矿采空区勘探中的重要作用。上述工作都不同程度地取得了一些地质效果，但对于磁铁矿采空区物探工作的有效性、方法技术体系和能解决地质问题的认识等还有待于进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何判定磁铁矿采空区，本发明提供一种磁铁矿采空区地球物理判定方法和装置，采用高精度磁测与瞬变电磁法相结合，实现对于铁矿采空区的分布的确定。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种磁铁矿采空区地球物理判定方法，包括：

确定待估区中的高磁异常区域；

圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

优选地，确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

优选地，利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

优选地，在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种磁铁矿采空区地球物理判定装置，包括：

磁法勘探模块，用于确定待估区中的高磁异常区域；

初始信息模块，用于圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

瞬变电磁法探测模块，用于利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

优选地，所述磁法勘探模块确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

优选地，所述瞬变电磁法探测模块利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

优选地，所述瞬变电磁法探测模块在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的方法和装置，采用高精度磁测与瞬变电磁法相结合，在实地调查和区域地质资料分析的基础上，通过综合分析对比两种方法资料，研究铁矿采空区的分布特征。

附图说明

图1是本发明实施例的一种磁铁矿采空区地球物理判定方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种磁铁矿采空区地球物理判定装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一的磁法异常曲线示意图；

图4是本发明实施例一的瞬变电磁测量视电阻率等值线断面示意图；

图5是本发明实施例一的地质解释成果断面示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种磁铁矿采空区地球物理判定方法，包括：

确定待估区中的高磁异常区域；

圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

其中，确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

其中，利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

其中，在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。

如图2所示，本发明实施例提供一种磁铁矿采空区地球物理判定装置，包括：

磁法勘探模块，用于确定待估区中的高磁异常区域；

初始信息模块，用于圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

瞬变电磁法探测模块，用于利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

其中，所述磁法勘探模块确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

其中，所述瞬变电磁法探测模块利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

其中，所述瞬变电磁法探测模块在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。

本发明实施例提供的磁铁矿采空区地球物理判定方法，

首先，在待估区采用高精度磁测进行勘探，确定高磁异常区域，然后，根据磁异常与磁铁矿采空区和蚀变围岩之间的对应关系，即在高磁异常区域内确定相对低磁响应范围，并把这种高磁背景下的相对低磁响应范围初步确定为采空区位置。

最后，在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图，获得深部电性异常数据。由于磁铁矿采空区与其蚀变围岩相比高阻特征突出，存在较大电性差异，铁矿采空区围岩电阻率值相对较低，会表现为低电阻特性，而采空区为高电阻特性。如果铁矿采空区充水，该处的电阻率会较围岩电阻率明显偏低。在电阻率等值线断面图上，把相对低电阻率值区域确定为磁铁矿采空区。用电性差异，实现对磁铁矿采空区进行精细定位。

实施例1

测区位于河北省东部，该区是我国最古老的结晶基底之一，研究程度高，资料丰富。表壳岩包括水厂岩组和马兰峪岩组，分布面积广，占变质岩总面积的56.5％，其中以水厂岩组为主，为迁西旋回的产物。而马兰峪岩组为遵化旋回的产物，二者之间为韧性剪切带接触。

当地下铁矿体局部被采出后，在岩体内形成一个有一定规模的空间，使周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区在岩层压力的作用下，发生变形、断裂、位移、冒落，形成的冒落带、断裂带、变形弯曲带，其影响范围比原采空区要大，且直接影响其电性分布状况，形成一个高阻电性体与围岩电性形成较明显的差异。在地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏，其电阻率将明显发生变化，形成一个低阻电性体，也与围岩电性形成较明显的差异，这样就为瞬变电磁勘查采空区破坏区提供了前提条件。

本区为鞍山式变质型铁矿，矿体多呈高角度岩脉存在，根据有关资料，矿石矿物是磁铁矿，含量约占20-35％，根据航空磁测和地面磁测资料，本区属于强磁区，但磁场强度变化大，跳动频繁，显示出磁性体分布不一矿化不均的特征。当铁矿体被采空后，磁场强度会呈现相对的低值异常，这种物性特征为利用磁法圈定采空区提供了一定的前提。

高精度磁法测量

磁法工作使用重庆奔腾仪器厂生产的WCZ-1高精度质子磁力仪进行工作。WCZ-1质子磁力仪是在参照国外先进磁力仪基础上，针对中国实际情况采用先进技术研制的新一代质子磁力仪，其磁场测量精度为±1nT，分辨率高达0.1nT，完全符合原地矿部发布的《地面高精度磁测工作规程》要求。其具有的大存储容量、高分辨率、灵活性使它得以成为便携式、移动式、基站式磁力仪。

在野外施工前，准确校对基站和移动站的时钟，使其每台移动站和基站的时钟保持一致，在已选定的参考点上，使用磁力仪，探头高度为2.0m，以减小来自地面的环境干扰，以5m采样间隔，自动连续记录地磁场总强度数据，这样便获得了测量期间的连续观测资料。

在做磁法测量时，以2.0m长的探杆，垂直而稳定地立于各测点上，用高精度磁力仪在测点上读取数据，并进行数据存贮。如果测量不当或者磁场信号微弱，仪器会自动提示“测量值不准确”的字样，并且观测数据不能存贮，这时要改变探头方向或者重新设置磁场估计值，进行多次反复观测，直到获得稳定的可存贮数据为至。

首先，在待估区进行磁法勘探，勘探结果如图3，图中横坐标表示测线测点号，纵坐标表示磁异常值。在图中点号为420m和460m处，出现强磁异常背景下的相对低值异常，由此初步划定了磁铁矿采空区的赋存范围。

瞬变电磁法工作方法

在待估区进行瞬变电磁法测量。首先在地面放置不接地回线，并在不接地回线发送阶跃电流，不接地回线产生激发电磁场，地下介质受感应而产生涡旋电流；接收探头放在回线的正中心，测量地下介质产生的感应二次场。根据感应二次场的变化情况来推测探测目标体的赋存特性。

工作中采用了大定源回线装置(100米×150米)，点距20m，线距20m，探测地下50-200m深度地电结构，用探头接收。大回线装置的Tx采用边长较大的矩形回线，Rx采用小型线圈(或探头)沿垂直于Tx长边的测线逐点观测磁场分量dB/dt值。由于该装置发送源固定，这种场源具有发射磁矩大，场均匀及随距离衰减慢等特点。这种装置对铺设回线的要求不那么严格，一旦铺好回线后，可在线框内一定范围内直行测量，因此工作效率高，成本低。这种场源具有发射磁矩大，场均匀及随距离衰减慢等特点，适合于密集点距采样，精细探测。

瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

传播深度： $d=\frac{4}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{t/{\mathrm{\σ\μ}}_0}$

传播速度： $v_z=\frac{\∂d}{\∂t}=\frac{2}{\sqrt{{\mathrm{\π\σ\μ}}_{o}t}}$

t为传播时间，σ为介质电导率，μ₀为真空中的磁导率。

瞬变电磁法的探测深度与发送磁矩、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。

得到，t＝2π×10^-7h²/ρ

时间与表层电阻率、发送磁矩之间的关系为：

$t={\mathrm{\μ}}_0{\[\frac{{(M/\mathrm{\η})}^2}{400{\left({\mathrm{\π\ρ}}_1\right)}^3}\]}^{1/5}$

M为发送磁矩，ρ₁为表层电阻率，η为最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。

获得： $H=0.55{\left(\frac{{\mathrm{M\ρ}}_1}{\mathrm{\η}}\right)}^{1/5}$

上式为野外工程中常用来计算最大探测深度公式。

采用晚期公式计算视电阻率：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}t}{\left(\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}Mq}{5tV\left(t\right)}\right)}^{2/3}$

式中， $\frac{{\mathrm{dB}}_z\left(t\right)}{dt}=\frac{V/I\·I\·{10}^3}{S_{N}R}$

视探测深度为：

$h_{\mathrm{\τ}}={\[\frac{3Mq}{16\mathrm{\π}V\left(t\right)S_t}\]}^{1/4}-\frac{t}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{\τ}}}$

式中：

$S_{\mathrm{\τ}}=\frac{16{\mathrm{\π}}^{1/3}}{{\left(3Mq\right)}^{1/3}{{\mathrm{\μ}}_0}^{4/3}/}\frac{{\[V\left(t\right)\]}^{5/3}}{{\[V\left(t\right)\]}^{4/3}}$

M为发送磁矩，q为接收偶极矩，V(t)为观测的感应电压值。

在层状介质情况下，在阶跃电流激发下，在大回线的正中心(零偏情况下)的频率域电磁响应为：

当在发射线圈中心接收时，

E_φ＝H_r＝0(10)

$H_z=I_{0}a{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\frac{Z^{\left(1\right)}}{Z^{\left(1\right)}+Z_0}{J}_1\left(\mathrm{\λ}a\right)d\mathrm{\λ}---\left(11\right)$

由此可见，在回线正中心，一维层状介质下回线源瞬变电磁响应表示为一双重积分，其中内层积分为汉克尔型积分，外层为余弦积分。其积分核函数为核函数与地下电性层的电性差异有关。

以测点距离为横坐标，以所计算的探测深度为纵坐标，把所计算的视电阻率值画成等值线图(图4)。图4清楚地反映了所探测剖面的地电结构，在剖面上发现一处(340号测点)视电阻率相对低值处，在视电阻率曲线的高阻区出现了相对低值，且低值的范围和规模较小，深部地层电性呈较明显的横向变化特征，反映了深部地层的横向变化。由于本区采空区普遍含水，其电阻率将明显的发生变化，形成一个比未采空时电阻率值更低的电性结构体，与围岩电性形成明显的差异。因此，可以推断其为磁铁矿采空区。

结合地质资料，把图4电性成果解释成地质结果(图5)。图5中，两个椭圆为磁铁矿采空区位置。后期经过打钻验证，证实了这一解释成果。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种磁铁矿采空区地球物理判定方法，其特征在于，包括：

确定待估区中的高磁异常区域；

圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。

5.一种磁铁矿采空区地球物理判定装置，其特征在于，包括：

磁法勘探模块，用于确定待估区中的高磁异常区域；

初始信息模块，用于圈定出待估区高磁异常区域中的低磁响应范围，确定待估区初始采空区位置；

瞬变电磁法探测模块，用于利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述磁法勘探模块确定待估区中的高磁异常区域包括：

在待估区采用磁测进行勘探，获得磁异常数据，根据磁异常数据确定高磁异常区域。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述瞬变电磁法探测模块利用磁铁矿采空区与围岩的电性差异，对待估区瞬变电磁视电阻率断面图特征进行区分，确定待估区磁铁矿采空区位置包括：

在待估区采用瞬变电磁测深方法进行探测，形成瞬变电磁视电阻率断面图；

在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述瞬变电磁法探测模块在所述电阻率断面图上，把电阻率值异常区域确定为磁铁矿采空区位置包括：

磁铁矿采空区围岩电阻率值表现为低电阻特性，磁铁矿采空区电阻率值表现为高电阻特性；磁铁矿采空区充水区电阻率值表现为极低电阻特性；

根据所述电阻率断面图的等值线分布，确定磁铁矿采空区位置。