摘要
为满足露天煤矿生产安全需要，本文在既有地质资料基础上，联合应用高精度磁法与高密度电法，对鄂尔多斯盆地某露天煤矿二采区的采空区与火区进行圈定，并通过钻孔验证。磁法采用40 m×20 m网度与基站昼变改正、IGRF 去主场及化极处理；电法采用 Wenner 装置与二维约束反演（RMS 4%～8%）。结果表明：二采区共识别磁异常5处与高阻异常12处，其中南西部与北部异常发育。综合异常组合与地表迹象，圈定火区3片、采空塌陷区2片。钻探5孔（ZK03、ZK05、ZK09、ZK13、ZK14）对关键异常进行验证，见火烧岩与塌陷回填等特征，综合一致性良好。总结判别规律为：浅部煤层火区通常表现为高磁（ΔT>500 nT）与高阻（ρ>400 Ω·m）的组合；孤立高阻多指示塌陷回填或干燥孔隙体；连续层状低阻多与富水或炭质泥岩有关。本研究验证了磁-电联合探测对露天煤矿采空区与火区的有效性，可为后续治理与生产提供技术支撑。
Abstract
To improve production safety in an open-pit coal mine in the Ordos Basin, China, we combined high-precision magnetic surveys with high-density resistivity imaging to delineate goafs and fire zones, followed by borehole verification. Magnetics were acquired on a 40 m × 20 m grid with base-station diurnal correction, IGRF removal, and reduction-to-the-pole. Resistivity used a Wenner array and 2-D constrained inversion (RMS 4%-8%). We mapped five magnetic anomalies and twelve high-resistivity anomalies, mainly in the southwest and north of the area. Integrating anomaly patterns and surface evidence defined three fire zones and two collapse-related goafs. Five verification boreholes (ZK03, ZK05, ZK09, ZK13, ZK14) encountered burnt rocks and backfilled collapse materials, showing good consistency with geophysical predictions. Empirical rules are: shallow fire zones typically exhibit high magnetization (ΔT>500 nT) coupled with high resistivity (ρ>400 Ω·m); isolated high resistivity bodies indicate collapsed/backfilled voids; extensive layered low resistivity is associated with groundwater or carbonaceous mudstone. The results demonstrate the effectiveness of magnetics-resistivity integration, which can support hazard mitigation and mine planning.
0 引言
随着国内主要煤炭产区开采强度与开发规模的持续提升，区域性采空区群集现象日益凸显，易引发坍塌、地裂缝等地质灾害问题（张方哲等， 2021；沈宝存等，2023）。此外，煤层火区自燃已成为破坏煤矿资源、恶化生态环境的重大灾害之一 （张大明，2022；高颖和李涛，2024）。因此，采空区与煤层火区的精准勘查是实施有效防治手段的必要前提。
物探与钻探为采空区及火区勘查主流技术，钻探虽具直观优势但适用受限，一般用于物探圈定范围后的验证工作。物探技术可精准解析地下空区三维展布与形态特征，工程普适性显著。常用的物探方法包括高密度电阻率法、高精度磁法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法等多种方法（陈强强等，2024；陈兴隆，2024；杨兆林等，2024）。贾煦等 （2022）以油页岩老采空区为对象，联合高密度电法与微动勘探技术，结合实际地质情况，推测了油页岩采空区及油页岩富含层位；郭庆林和栾金鹏 （2024）采用高密度电阻率法及地质雷达联合探测技术成功查明了研究区内 90 m 范围内隐蔽采空区的空间分布情况；谷蓬禹等（2024）联合高密度电阻率法与地质雷达技术对萤石矿区采空区的平面边界及垂向位置进行了精准识别；赵婷婷等（2022）综合利用磁-氡-钻探协同反演技术精准界定火区空间边界；崔迎龙和卢克鹏（2024）利用瞬变电磁法划分两处煤矿采空平面异常，并通过钻探验证吻合度较高；张凯等（2019）采用可控源音频大地电磁法对强干扰背景下深部采空区进行位置、范围、规模及精度验证；李路明等（2021）采用高精度磁法与瞬变电磁法探测某铜矿采空区具体位置，对采空区和巷道的地球物理参数进行分析，最终圈定 6 处重点异常区；冒我冬等（2025）通过地空瞬变电磁法与地面瞬变电磁法对煤矿采空区的探测效果进行对比，得出地空瞬变电磁法受地形和干扰小，地面电磁法探测精度高，实际应用应结合其他手段综合解释验证。
因对矿区采空区及火区圈定单一的物探方法具有多解性和局限性，本文在综合分析煤矿已有地质资料的基础上，通过高精度磁法联合高密度电法推测采空区及火区范围，同时获得地层的电阻率和磁化率两种独立的物理参数，对同一异常体进行交叉验证，不仅能精准圈定采空区和火区的平面范围，更能清晰揭示其空间形态与内部赋水状态，为露天煤矿的后续生产安排提供技术资料。
1 研究区域概况
研究区位于鄂尔多斯市某煤矿，该煤矿现状开采方式为露天开采，矿权范围中部、北部均已投入生产，现将生产采区范围划分为二采区和三采区，本研究区工作部署主要为二采区。据前期地质勘查资料显示，二采区位于该煤矿的西北部（图1），地形切割较强烈，约有50%的地段被第四系风积砂与黄土覆盖，基岩出露于北侧与南侧沟谷中，出露地层为中下侏罗统延安组中岩段（J1-2y2）及第四系（Q）。前者为含煤地层，岩性主要为灰色、深灰色粉砂岩、砂质泥岩；局部相变为粗砂岩及泥岩。后者岩性为淡黄色亚砂土，柱状节理发育，含钙质结核，厚约12 m，在区内大面积覆盖。
矿区的含煤地层为中下侏罗统延安组（J1-2y），为一套以内陆盆地沉积特征的碎屑岩含煤建造。区内部分地段遭受剥蚀，中部、东部大面积出露，厚度 40.16~167.48 m，平均 110.16 m 左右。矿区含煤地层中自上而下发育有 5 个煤组（编号为 3-7 号煤组），其中 4-1 煤层为矿区最上部可采煤层，厚度 0.30～8.40 m，平均 6.03 m；可采厚度 4.75~7.06 m，平均 5.99 m，属厚煤层。钻孔揭示 4-1 煤层底板在二采区赋存标高1395～1405 m。
研究区内地层整体走向北西，略向南西倾斜，产状平缓，倾角1°～3°，未见断裂构造及岩浆岩侵入体。
图1二采区地貌特征
2 煤矿采空区及火区研究方法
2.1 高精度磁法测量
高精度磁法是指通过测量地磁场的高精度微小变化，分析地下介质的磁性差异，从而推断地质构造、矿产资源或人工目标体的分布（刘仕刚等， 2024）。
本研究采用GSM-19T质子磁力仪进行地面磁法测量，为保障数据质量，在测区中心布设了日变站，该站在正常磁场范围内，磁场水平梯度和垂直梯度变化较小，附近无任何磁性干扰物，并远离建筑物和工业设施（采样间隔 10秒/次）。原始数据的处理流程如下：（1）日变改正：利用日变站数据，消除地磁日变干扰。（2）正常梯度改正：采用 IGRF 模型（基准年 2020）去除了区域背景场；（3）高度改正：利用地磁垂向梯度变化公式确定其改正系数，得到反映地下地质体的磁异常ΔT；（4）化极处理：将斜磁化变换成垂直磁化消除斜磁化影响，计算出测区中心部位总基点的正常地磁场磁偏角 D=-5.52°，磁倾角 I=59.96°，利用以上参数进行化极处理，作为后续解释的主要依据。所有处理均在ModelVision17.0平台上完成。
本文二采区高精度磁法工作测量网度为40 m× 20 m，测线方位 90°；点线号排布按照“点号西小东大，线号南小北大”的原则布设，测网包括二采区南东拐点，线号始于 100 线，增量 4；点号始于 100 点，增量2，每单位增量代表10 m（图2）。
图2二采区高精度磁法测量布置图
二采区高精度磁法测量结果如图3所示，共圈定磁异常 5 处，即 Q2-M01 至 Q2-M05，其空间分布与地质特征如下：
Q2-M01 位于二采区南部沟谷北侧，呈现为多个磁异常组合的北西向条带状，长约 868 m，宽约 198 m。正磁异常为主，外围负磁异常，正磁异常极大值2744 nT，南西侧梯度较陡。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩，局部可见地裂缝、表土塌陷。
Q2-M02 位于二采区南部沟谷南侧，呈现为单个磁异常形成的北西向宽条带状，长约373 m，宽约 186 m。正磁异常为主，外围负磁异常，正磁异常极大值2004 nT，北东侧梯度较陡。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩。
Q2-M03 位于二采区北西部沟谷南侧，呈现为多个磁异常组合的北西向条带状，长约431 m，宽约 118 m。正磁异常为主，南正北负，正磁异常极大值 789 nT。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩，局部可见地裂缝、表土塌陷。
Q2-M04 位于二采区北部沟谷两侧，呈现为多个磁异常组合的北西北向宽条带状，长约398 m，宽约184 m。正负磁异常组合，南正北负，正磁异常极大值2761 nT。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩，局部可见地裂缝、表土塌陷，局部可见地下煤层燃烧烟尘。
Q2-M05 位于二采区北东部，呈现为多个磁异常组合的北西向条带状，长约 404 m，宽约 190 m。正负磁异常组合，南正北负，正磁异常极大值 2471 nT。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩。
2.2 高密度电法研究
高密度电阻率法是以岩层电性差异为基础，研究人为建立的地下电流场的分布及变化规律，兼具电阻率剖面法和电阻率测深法的作用（王恩德等， 2023）。
本研究采用 DUK-4 超级高密度电法测量系统以DZD-8多功能全波形直流电法仪为测控主机，通过选配分布式高密度电缆和级联式转换器，实现级联式高密度电阻率测量。电极装置选用 Wenner 装置，因其对水平层状目标体灵敏度高且抗干扰能力强（李子永等，2023）。测量时电极间距a为10 m，剖面层数 n 为 20 层，试验理论最大探测深度约为 280 m，对原始数据进行了粗差剔除（删除了约 2% 的异常数据点）和地形校正。数据处理和反演解释采用 ZondRes2D 软件进行，反演计算方法基于马奎特 （Levenberg-Marquardt）阻尼最小二乘法，先后进行一维、二维反演，迭代 3～5 次，控制误差 RMS 为 4%～8%。在剖面中部区域，150 m以浅的电阻率结构具有较高的可靠性，异常形态和边界清晰，随着深度增加，分辨率逐渐降低。
图3二采区磁异常分布图
二采区高密度电阻率剖面测量线距 50 m，道间距10 m，测线方位180°；线号排布按照“线号西小东大”的原则布设，线号始于 300线，增量 5，每单位增量代表10 m；剖面测线从北端开始布设，起始点为0 号桩，道间距10 m，到测线南端终止，按照实际布设距离计算电极桩号（图4）。
电阻率测量结果如图5所示，全区电阻率值大部分低于300 Ω·m，低阻区连续成片分布，南西部显示两处具有较深延深、规模较大的团块状高阻异常；北部和中部显示串珠状、具有一定连续性的异常条带。二采区共圈定高阻异常 12 处，即 Q2-HR01～Q2-HR12，其空间分布与地质特征如下：
Q2-HR01位于二采区南西部沟谷北侧，呈现为多个高阻异常组合成的北西向条带状，长约550 m，宽约 155 m，高阻异常极大值 1917 Ω·m。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩，局部可见地裂缝、表土塌陷。
Q2-HR02位于二采区南西部沟谷南侧，呈现为高阻未封闭的团块状，长轴走向北西，长约 276 m，宽约 128 m，高阻异常极大值 1522 Ω·m。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩。
Q2-HR05位于二采区北部沟谷南侧，呈现为单个高阻封闭的豆状，走向近东西，长约 224 m，宽约 93 m，高阻异常极大值1238 Ω·m。地表被第四系残积砂土覆盖，出露棕红色或灰白色风化砂岩，局部可见地裂缝、表土塌陷。
图4二采区高密度电阻率剖面布置图
Q2-HR10位于二采区中部，呈现为两个高阻异常组合形成的豆状，长轴走向北西，长约 170 m，宽约 76 m，高阻异常极大值 503 Ω·m。地表被第四系残积砂土覆盖，局部出露风化砂岩，可见一处塌陷坑。
Q2-HR11位于二采区中部，呈现为单个高阻封闭的豆状，长轴走向北西，长约202 m，宽约96 m，高阻异常极大值 1066 Ω·m。地表被第四系残积砂土覆盖，出露灰白色风化砂岩，钻孔可见回填土。
2.3 典型电阻率剖面特征
本文高密度电阻率剖面测量布设于全区，测线间距50 m，因此相邻剖面上异常具有一定的连续性和相关性，现结合钻孔验证的结果，对主要剖面的异常特征进行描述。
（1）L310 测线的高密度电阻率剖面结果如图6所示。该测线位于二采区西部，剖面长度为 1050 m，断面高程范围在 1300~1430 m，深度约为 130 m，低电阻率值到高电阻率值由色级深蓝到红色表示。在该条测线对应断面中，电阻率异常以低阻为主，电阻率值变化在 10~1917 Ω·m，分层特征明显且分布较不均匀，相对而言，中浅层区域电阻率偏高。图中右侧圈定位置出现了高阻异常半封闭圈，电阻率值变化范围在420~1910 Ω·m，在地表投影位置基本对应Q2-HR01的异常范围，结合已有勘察资料推测其为煤层自燃区。
（2）L320 测线的高密度电阻率剖面结果如图7所示。该测线位于 L310测线东侧 100 m处，剖面长度为1050 m，断面高程范围在1310~1440 m，深度约为 130 m，低电阻率值到高电阻率值由色级深蓝到红色表示。在该条测线对应断面中，电阻率异常以低阻为主，电阻率值变化在10~1522 Ω·m，分层特征明显且分布较不均匀，相对而言，中浅层区域电阻率偏高。图中右侧圈定位置出现了高阻异常半封闭圈，电阻率值变化范围在 220~1250 Ω·m，在地表投影位置基本对应 Q2-HR01、Q2-HR02 的异常范围，结合已有勘察资料推测其为煤层自燃区。
（3）L345 测线的高密度电阻率剖面结果如图8所示。该测线位于二采区中部偏西侧，剖面长度为 1060 m，断面高程范围在 1310~1440 m，深度约为 130 m，低电阻率值到高电阻率值由色级深蓝到红色表示。在该条测线对应断面中，电阻率异常以低阻为主，电阻率值变化在10~1238 Ω·m，分层特征明显且分布较不均匀，中深部显示高阻异常特征。图中已圈定两个区域，从北向南分别为 1 个高阻异常封闭圈（投影位置对应 Q2-HR09 的异常范围）和 1 个低阻异常封闭圈。结合已有勘察资料推测，左侧的高阻异常封闭圈源于煤层自燃，中部的低阻异常封闭圈可能与采空区充水有关。
图5二采区电阻率异常分布图（H=1400m）
图6测线L310综合剖面图
图7测线L320综合剖面图
图8测线L345综合剖面图
（4）L365 测线的高密度电阻率剖面结果如图9所示。该测线位于 L345测线东 200 m处，剖面长度为 960 m，断面高程范围在 1310~1450 m，深度约为 140 m，低电阻率值到高电阻率值由色级深蓝到红色表示。在该条测线对应断面中，电阻率异常以低阻为主，电阻率值变化在 10~850 Ω·m，分层特征明显且分布较不均匀，中深部显示高阻异常特征。图中中部圈定位置出现了高阻异常封闭圈，厚层状，电阻率上下两侧存在异常波动，在地表投影位置基本对应Q2-HR11的异常范围，结合已有勘察资料及相关文献推测其为采空塌陷区。
图9测线L365综合剖面图
3 综合解释与分析
3.1 钻探验证工作
本研究共布置验证钻孔 5 个，分别为 ZK14、 ZK13、ZK03、ZK05、ZK09 对应 L310、L320、L345、 L365 测线位置，总进尺 148 m。主要布置在物探圈定的异常范围内、边缘及外部。ZK14、ZK13岩心见红褐色火烧岩；ZK03孔深 22 m，岩心见红褐色火烧岩，因温度过高无法继续施工；ZK05 孔口高程 1446.01 m，孔深 44 m，见煤标高 1410.6 m，煤层厚度 7.0 m，钻孔在深度 33 m 附近掉钻、漏浆，提钻无岩心；ZK09 孔口高程 1454.82 m，孔深 50 m，见煤标高 1411.7 m，煤层厚度 5.7 m，稳定水位标高 1426.8 m，钻孔浅层揭示9 m厚的回填土，4-1煤层上覆地层为砂岩、砂质泥岩。
通过钻孔验证，表明高精度磁法、高密度电法这两种方法能有效的揭露出测区中采空区及火区范围。
3.2 研究区物性参数
研究区内煤层的三测向电阻率值呈高阻或中高阻，电阻率值为 300~1000 Ω·m，砂岩的电阻率值为40~300 Ω·m（表1）。
表1煤、岩层电阻率变化范围一览
通过对研究区出露地表和钻孔得到的火烧岩、黏土、砂岩、砂泥岩进行磁参数测定，得到了该区磁物性参数资料（表2）。
表2磁化率变化范围一览
3.3 物探异常特征规律
结合物探异常特征和钻孔验证成果，大致总结规律为：
（1）局部幅值较高、范围较大的正负磁异常组合均为浅部煤层火区所致，火区采集的岩心均为高磁化率显示，完整煤层和砂岩地层基本无磁性。
（2）局部高阻异常多为浅部煤层火区所致，部分高阻异常为小窑采掘塌陷区或回填区，空隙较大、无地下水充填。
（3）区内低阻异常分布较广、连续性较好，多与地层相关，部分规模较大层状或面状低阻异常为炭质泥岩地层所致；局部幅值较高的低阻异常与地下水赋存相关。
（4）高磁异常区和高阻异常区大致具有对应关系，浅部煤层火区同时表现为高阻高磁异常特征； 单独的高阻异常区与已经塌陷的小窑采空区或回填区相关，具有较大的孔隙，无地下水充填；单独的低阻异常区多与地下水赋存相关。
3.4 物探异常综合解释
根据二采区综合推断解释（图10）、钻探验证结果和相关地质资料推断二采区内的火区、塌陷区如下：
（1）二采区圈定火区范围3片，包括：
①二采区南部沟谷北侧磁异常Q2-M01和高阻异常 Q2-HR01 组合区域，以高阻高磁异常组合为主，地表为第四系覆盖，局部出露红褐色风化砂岩、泥岩等，山坡处调查有民采小窑洞口（图11），进深 3～6 m，钻孔ZK13和ZK14揭露煤层火区现象。
②二采区南西部沟谷南侧磁异常Q2-M02和高阻异常Q2-HR02组合区域，以高阻高磁异常组合为主，地表为第四系覆盖，局部出露红褐色风化砂岩、泥岩等，揭露煤层火区现象。
③二采区北部沟谷南侧磁异常 Q2-M03、Q2-M04、Q2-M05 和高阻异常 Q2-HR03、Q2-HR04、 Q2-HR05、Q2-HR06、Q2-HR07、Q2-HR09 组合的长条带区域，以高阻高磁异常组合为主，地表为第四系覆盖，局部地段塌陷、裂缝，大面积出露红褐色、灰色风化砂岩、泥岩等（图12），沟谷中揭露 4-1 煤层露头，钻探ZK03揭露煤层火区现象。
图10二采区综合推断解释平面图
图11二采区南西部沟谷南侧火烧岩（a）及南部废弃小窑洞口（b）
图12二采区北部沟谷中塌陷（a）及火烧岩（b）
（2）二采区圈定主要塌陷区范围2片，包括：
①二采区中部平缓山梁处高阻异常 Q2-HR10 范围，以浅部高阻异常为主，地表为第四系覆盖，局部地段出露塌陷坑，直径约15 m，可见洞口（图13），钻探ZK05揭露该处4-1煤层较完整，上覆地层中无煤层显示，说明上部煤层已缺失。
图13二采区地表塌陷坑
②二采区中东部山坡处高阻异常 Q2-HR11 范围，以浅部高阻异常为主，地表为第四系覆盖，山坡处调查出民采小窑洞口，进深 3～6 m，钻探 ZK09揭露该处4-1煤层较完整，上覆地层中无煤层显示，说明上部煤层已缺失，同时揭露浅部赋存回填土，说明塌陷回填及煤层缺失现象。
4 结论
在对鄂尔多斯市某煤矿实地调查与地质资料分析的基础上，进一步对其采空区和火区进行了高精度磁法与高密度电法物探工作部署及异常特征解译分析，并进行了必要的钻探验证。主要结论如下：
（1）二采区共圈定磁异常5处，磁异常总体走向为北西向；二采区共圈定高阻异常 12 处，表现为南部团块状与北部串珠状高阻异常，且剖面与平面异常对应良好。
（2）以高电阻率异常和高磁异常为主圈定火区异常；以部分高阻异常、小规模正负组合磁异常圈定小窑采空塌陷区。最终圈定火区范围 3 片，主要塌陷区范围 2片。5个验证钻孔也分别揭示了煤层火区、上部煤层缺失现象，钻孔验证一致率为 100%。
（3）后续煤矿开采过程中，还要进一步加强采空区和火区垮落带、导水裂隙发育带、弯曲下沉带的识别防护，确保生产安全。
（4）综合运用高精度磁法与高密度电法可以有效地揭露矿区内采空区及火区范围，该联合探测手段具有较强的普适性，可在同类矿区的采空区与火区勘查中进行大规模推广应用，社会经济效益显著。
