瞬變電磁法在某鐵礦山采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

趙宗義，張 龍，景 勇，郭海兵

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瞬變電磁法在某鐵礦山采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

趙宗義1，張 龍1，景 勇2，郭海兵2

(1.大明礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 哈密市 839000；2.新疆有色地質(zhì)勘查局七0四隊(duì)，新疆 哈密市 839000)

由于歷史上前人多采用空?qǐng)霾傻V法、潛孔留礦法進(jìn)行采礦，多處存在老采空區(qū)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的重力作用，致使部分老礦房垮塌，地表受垮塌影響，出現(xiàn)塌陷及斷裂。隨著時(shí)間的推移，塌陷、裂縫均有繼續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，危及井下礦山安全生產(chǎn)和地面基礎(chǔ)設(shè)施及工作人員安全。為了基本查明垮塌范圍及垮塌形成的采空區(qū)，采用瞬變電磁法(TEM)勘探采空區(qū)位置及形態(tài)。根據(jù)采空區(qū)垮塌形態(tài)的不同以及填充物的不同，采空區(qū)位于視電阻率等值線(xiàn)扭曲部位，隨著填充物的不同，特征表現(xiàn)為中高阻，與周?chē)曤娮杪实戎稻€(xiàn)特征明顯不同。

瞬變電磁法；采空區(qū)；視電阻率

瞬變電磁法(TEM)屬于時(shí)間域電磁法之一，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的人工源電磁探測(cè)方法。它通過(guò)不接地回線(xiàn)(磁源)或接地線(xiàn)源(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)(通常稱(chēng)為一次場(chǎng))，在一次場(chǎng)的激發(fā)下，地下地質(zhì)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，這種渦流會(huì)隨著時(shí)間變化的產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)(通常稱(chēng)之為二次場(chǎng))。由于二次場(chǎng)包含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，利用線(xiàn)圈或接地電極觀(guān)測(cè)二次場(chǎng)(或稱(chēng)響應(yīng)場(chǎng))，通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)信息的提取和分析，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的。顯然，這種方法所研究的是響應(yīng)場(chǎng)和時(shí)間的關(guān)系，故把其稱(chēng)之為時(shí)間域電磁法。由于一次場(chǎng)和二次場(chǎng)均具有瞬時(shí)變化的特點(diǎn)，故把其稱(chēng)為瞬變電磁法。

1 地質(zhì)和礦體概況

礦區(qū)地層主要為上元古界青白口系天湖群第三組的變質(zhì)巖系，其次為中元古界薊縣系卡瓦布拉格群的碳酸鹽巖，二者呈斷層接觸。地層走向近東西向，傾向北，傾角50°～80°。礦區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線(xiàn)受區(qū)域構(gòu)造控制，以近東西走向、向北陡傾的單斜構(gòu)造為主。褶皺不發(fā)育，無(wú)明顯褶皺。斷裂較發(fā)育，主要斷裂對(duì)礦床影響不大，僅地表及淺部礦層受到斷裂破壞。破碎帶也較發(fā)育，多集中于蓋層及淺部礦層附近。礦區(qū)內(nèi)侵入巖以華力西花崗巖為主，次為閃長(zhǎng)巖。按其侵入序次：華力期中期第一侵入次有暗綠色閃長(zhǎng)巖，第二侵入次有灰色混合巖化斜長(zhǎng)花巖，第三侵入次有肉紅色?磚紅色似斑狀花崗巖和肉紅色混合巖化花崗巖，第四侵入次有灰綠色二長(zhǎng)花崗巖和米黃色花崗巖。

礦區(qū)以Ⅰ號(hào)礦體規(guī)模為最大，分上、中、下3層礦，單層礦厚度一般2～10 m，最大厚度為24.56 m，全鐵品位32.19%～50.87%。礦體埋藏深度距地表200～1000 m，為一大型盲礦體。礦體三維形態(tài)見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 礦體正面視圖

圖2 礦體45°俯視圖

礦體呈似層狀及大透鏡體狀，在詳勘區(qū)內(nèi)沿走向長(zhǎng)達(dá)1200 m，沿傾向從1380 m標(biāo)高向下延伸至590 m標(biāo)高以下，延伸長(zhǎng)度達(dá)1000 m。礦體總體走向?yàn)?00°，從東至西均無(wú)較大變化，僅在42線(xiàn)以西轉(zhuǎn)為東西向，其走向方位變化不超過(guò)10°。礦體傾角為上緩下陡呈有規(guī)律變化，一般為70°～80°，淺部為50°～60°，深部為80°～85°。從45至54線(xiàn)礦體在中深部(1090~1190 m標(biāo)高)沿傾向略呈起伏不大的舒緩波狀產(chǎn)出，尤以下礦層底板較明顯，往中、上礦層則逐漸消失。在橫向上，礦層與礦層之間，產(chǎn)狀亦呈有規(guī)律變化。由下礦層至中上礦層，傾角由大變小，一般下礦層比中礦層大2°～4°，中礦層又比上礦層大2°～3°。礦體厚度總的變化規(guī)律是中部厚，沿走向往東、西兩端逐漸變薄，沿傾向由淺往深由薄變厚，在1340 m標(biāo)高以上多變薄尖滅，940 m標(biāo)高以下略有變薄。區(qū)內(nèi)上、中、下3層礦體之間的距離，上礦層與中礦層一般為1.59～3.52 m，平均2.79 m；中礦層與下礦層一般為3.06～10.03 m，平均7.73 m。

圖3 礦體正上方視圖

2 資料解釋及應(yīng)用效果

根據(jù)礦山資料，在已知的采空區(qū)上方進(jìn)行方法性剖面試驗(yàn)，選取測(cè)線(xiàn)502，線(xiàn)長(zhǎng)800 m，測(cè)線(xiàn)方向?yàn)?°。地表裂縫發(fā)育在測(cè)點(diǎn)812～852之間(見(jiàn)圖4)，裂縫整體大致走向呈近東西向，呈網(wǎng)狀發(fā)育，地表為第四系覆蓋及黏土化特征，電阻率為低阻特征，阻值小于400 Ω?m。測(cè)點(diǎn)840北側(cè)為地層的塌陷帶，地表特征為測(cè)點(diǎn)北側(cè)地層整體向下塌陷1～2 m，塌陷帶北側(cè)地表裂隙較發(fā)育。結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)以及應(yīng)力學(xué)推測(cè)該網(wǎng)狀裂隙是由地表塌陷對(duì)周?chē)Φ淖饔靡鸬?。TEM二維反演斷面圖特征為斷裂構(gòu)造，構(gòu)造向北陡傾，塌陷帶深部向北延伸且延伸深度大于500 m。地表特征與該異常相吻合。

圖4 天湖鐵礦502線(xiàn)TEM二維反演成果

已知采礦部位位于測(cè)點(diǎn)804～820，礦體傾向?yàn)楸倍竷A。結(jié)合二維反演斷面圖得出含礦部位位于石英片巖、片麻巖、圍巖等南梯度帶。該異常梯度帶變化較大。該采礦部位為已知采空區(qū)，該采空區(qū)電阻率異常特征為中高阻異常，異常值約10000～15000 Ω?m，與實(shí)際相吻合。已知采礦部位南側(cè)該異常是由運(yùn)輸巷道引起，電性特征為中高阻異常，異常值變化范圍3000～5000 Ω?m。測(cè)線(xiàn)南側(cè)低阻異常是由供電線(xiàn)引起，由電磁干擾引起的。與供電線(xiàn)實(shí)際位置相吻合。綜上分析，已知采空區(qū)部位與二維反演斷面圖相吻合。根據(jù)二維反演斷面圖有效信息推測(cè)以下結(jié)果：

(1) 地表至200 m，標(biāo)高約1460 m以上為塌陷滑落區(qū)以及緩沖區(qū)。

(2) 測(cè)點(diǎn)816～824，標(biāo)高約1400，1288，1190，1100 m推測(cè)為4個(gè)塌陷空區(qū)(見(jiàn)圖4)。

3 結(jié) 論

(1) 瞬變電磁法對(duì)于圈定礦山老采空區(qū)位置及形態(tài)具有較好的效果。

(2) 剖面法可以推斷采空區(qū)縱向特征，結(jié)合平面特征能夠圈定采礦區(qū)的位置及形態(tài)特征。

(3) 通過(guò)剖面性試驗(yàn)，瞬變電磁法在鐵礦區(qū)進(jìn)行探測(cè)，一般會(huì)產(chǎn)生低阻屏蔽效應(yīng)，所以建議在野外工作時(shí)，應(yīng)該盡量多做一些試驗(yàn)工作，適當(dāng)加大電流，選取合理的參數(shù)。

通過(guò)本次工作，在縱向探明了不同標(biāo)高采空區(qū)位置及形態(tài)特征，為以后的治理提供了理論依據(jù)。

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(2019?02?22)

趙宗義(1991—)，男，甘肅天水人，助理工程師，主要從事礦山開(kāi)采與安全生產(chǎn)管理工作，Email: 605317344 @qq.com。