矽卡巖型鐵礦采空區(qū)電法勘探應(yīng)用

鄭瑞釗

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧錦州 121000)

1 概述

目前,常用于采空區(qū)勘察的地球物理方法有:重力法、瞬變電磁法、直流電流法、地震反射波法等。 鐵礦采空區(qū)因其自身特點(diǎn)(易產(chǎn)生電磁干擾),歷來(lái)是物探工作的難點(diǎn)。 季凇達(dá)曾利用重力法和電磁法的綜合物探手段[6],準(zhǔn)確測(cè)定了某鐵礦采空區(qū)的分布情況。 張文雨等以秦皇島某鐵礦的物探勘察為例,介紹了瞬變電磁法在鐵礦采空區(qū)中的應(yīng)用[2]。

在某矽卡巖型鐵礦區(qū)域的勘察過程中,受外界條件的干擾較大:①地形起伏大,且地表已經(jīng)出現(xiàn)明顯塌陷坑;②在勘察區(qū)附近有高壓輸變線沿南北向穿過,電磁類方法受干擾嚴(yán)重;③矽卡巖型鐵礦礦體呈似層狀、凸鏡狀、囊狀等不規(guī)則狀[10],地震反射波法同樣不適用于該區(qū)域。

高密度電阻率法通過測(cè)定地下不同位置和深度的電阻率差異來(lái)尋找目標(biāo)地質(zhì)體[3],較電磁法具有更高的抗干擾能力,比較適合在該區(qū)開展采空區(qū)的勘察工作。

2 勘察區(qū)工程地質(zhì)概況

本區(qū)位于陰山及秦嶺兩個(gè)巨型緯向構(gòu)造體系之間,西臨新華夏系太行隆皺帶,東接華北沉降帶,處于新華夏系兩個(gè)不同構(gòu)造單元的過渡地段。 本區(qū)域以北北東向斷裂為主,展布有東西向、向南東緩傾的褶皺。區(qū)內(nèi)有南叢井、龍霧-活水等較大斷層。 本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

3 勘察區(qū)地球物理特征

勘察區(qū)巖性較為單一,主要分布有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r,第四系粉土及粉質(zhì)黏土,燕山期侵入閃長(zhǎng)巖等。 該矽卡巖型鐵礦區(qū)面積為0.159 km2,礦山采用斜井開拓,采礦許可高程范圍為+334 ～+150 m,礦體平均厚16 m,傾角為35° ～50°。 該礦已于2011 年關(guān)閉,形成的采空塌陷坑南北長(zhǎng)約100 m,東西寬約80 m,深度為10 ～15 m,測(cè)區(qū)主要介質(zhì)電阻率分布范圍見表1。

表1 測(cè)區(qū)主要介質(zhì)電阻率范圍 Ω·m

由表1 可知,區(qū)內(nèi)第四系地層呈低阻性;灰?guī)r和閃長(zhǎng)巖呈高阻性;矽卡巖呈中—高阻性;如地下巷道采空區(qū)未出現(xiàn)塌冒,可視為無(wú)窮大的高阻異常;當(dāng)塌陷明顯且填充有淤泥、積水時(shí),則為低阻異常[7]。

4 野外數(shù)據(jù)采集及處理

4.1 測(cè)網(wǎng)布置

結(jié)合已知地質(zhì)資料和實(shí)際地形情況,本著既能有效控制測(cè)區(qū)內(nèi)主要采空區(qū)對(duì)鐵路的影響范圍,又兼顧物探工作的基本要求,在地形起伏較小、接地條件良好的位置布置了12 條物探測(cè)線(見圖1)。

圖1 物探工作布置

由圖1 可知,測(cè)線P2、P4、P5、P8 和P11 是為了查明采空區(qū)的分布情況,測(cè)線P1、P6、P7 和P12 是為了研究礦體外圍的地質(zhì)情況。 測(cè)線編號(hào)按自西向東、自南向北的順序編錄。 根據(jù)收集的資料,本地區(qū)鐵礦開采高程為+334 ～+150 m。 采用高密度電法儀器進(jìn)行觀測(cè),儀器參數(shù)為:電極數(shù)為120 道,最小隔離系數(shù)為1,最大隔離系數(shù)為36,供電脈寬為0.5 s,供電周期為1 s,偶極裝置。

4.2 觀測(cè)過程

野外工作中,首先沿測(cè)量剖面布置好電極,將所布電極與儀器相連接,而后加載工作電源。 打開儀器后,設(shè)置工作參數(shù),并進(jìn)行接地電阻檢測(cè)和導(dǎo)線絕緣檢查,檢測(cè)合格后方能啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量采集。 儀器可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄電位差、電流、隔離系數(shù)、裝置系數(shù)和視電阻率值等數(shù)據(jù)。 測(cè)量結(jié)束后以數(shù)據(jù)文件的形式存入測(cè)量?jī)x器內(nèi),并填寫野外記錄表。 若測(cè)量剖面較長(zhǎng),一個(gè)觀測(cè)排列不能完全覆蓋全部設(shè)計(jì)剖面,應(yīng)采用多排列邊界交疊的方式進(jìn)行續(xù)段滾動(dòng)測(cè)量(每次滾動(dòng)30 道)。 每次測(cè)量時(shí),隔離系數(shù)從1 變化到30,電極距會(huì)從5 m 逐步增加到450 m。 因此,在測(cè)量過程中,應(yīng)根據(jù)極距及時(shí)調(diào)整供電電壓[45]。

4.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

為確保觀測(cè)質(zhì)量,對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)采取“一同二不同”的方式進(jìn)行質(zhì)檢,即采用同一測(cè)點(diǎn)、不同時(shí)間、不同操作員,對(duì)實(shí)際完成觀測(cè)工作量3%以上的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)檢查觀測(cè),并將其兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方相對(duì)誤差計(jì)算[12],有

式中:pi—第i 點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù);—第i 點(diǎn)系統(tǒng)檢測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù);ˉpi—第i 點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值;n—檢查點(diǎn)數(shù)。

5 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

高密度電阻率法的數(shù)據(jù)處理是把所測(cè)得的視電阻率經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)反演計(jì)算、資料解釋,最后獲得地質(zhì)解譯成果的過程,處理流程如圖2 所示[1]。

圖2 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理流程

6 資料成果解釋

6.1 高密度剖面解釋

(1)P4 剖面解釋

P4 剖面長(zhǎng)900 m,方位角為NE68.0°。 該剖面最低點(diǎn)高程為288 m,最高點(diǎn)高程為378 m,最大高差為90 m。 在P4-86 ～P4-87 之間,地表可見坍陷坑。

圖3 為P4 剖面反演成果。 從垂向上來(lái)看,層狀結(jié)構(gòu)不明顯,剖面上部為阻值≤50 Ω·m 的低阻層,推斷為第四系坡積沖積松散土層。 在P4-50 ～P4-80 間,表層雜亂無(wú)章,推斷為地下采空區(qū)塌陷所引起的地表結(jié)構(gòu)改變。 P4-82 ～P4-112 點(diǎn)間的高阻異常,推斷為山體裂隙。 表層為電阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻區(qū),推斷為奧陶系灰?guī)r;電阻率值≥1 000 Ω·m的高阻部位推斷為侵入的閃長(zhǎng)巖體。 從剖面水平方向來(lái)看,P4 剖面在P4-65 ～P4-110 下方(高程280 ～330 m之間)有一個(gè)低、高阻相間的條帶狀異常,推斷該異常由采空區(qū)引起,其中低阻異常位于山底,高阻異常位于山頂。 低阻異常為采空區(qū)積水所致,而高阻異常是山頂部位巖石因采空塌陷導(dǎo)致巖體破碎,產(chǎn)生的大量裂隙所致。 在P4-60 下方,一條帶狀低阻異常被斷為兩段,認(rèn)為該處是由于采空區(qū)塌陷導(dǎo)致淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化所引起,推斷該處為采空區(qū)左側(cè)影響邊界;在P4-115 點(diǎn)下方,存在一個(gè)電阻率兩側(cè)差異明顯的梯度帶,推斷該處為采空區(qū)的右側(cè)影響邊界。

圖3 P4 剖面反演解釋成果

(2)P7 剖面解釋

該剖面長(zhǎng)度為750 m,方位角為NE155.6°,最低點(diǎn)高程為294 m,最高點(diǎn)高程為316 m,最大高差為22 m。

圖4 為P7 剖面反演成果。 從垂向來(lái)看,該剖面具有明顯的兩層結(jié)構(gòu),而水平方向分區(qū)不明顯。 整條剖面上部為一厚度為10 ～40 m 的低阻層,此低阻層分布較為均勻,變化平緩,阻值≤50 Ω·m,推斷屬第四系坡積沖積松散土層。 在P7-60 ～P7-90 點(diǎn)間地表出現(xiàn)的高阻異常是工區(qū)內(nèi)的臨時(shí)道路所致,由于道路被碎石填充壓實(shí),導(dǎo)致表層電阻率增高。 剖面中、下部為電阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻區(qū)域,推斷為奧陶系灰?guī)r。 縱觀P7 視電阻率剖面和反演電阻率剖面,其電阻率形態(tài)規(guī)則、完整,無(wú)明顯采空區(qū)異常特征。

(3)P9 剖面解釋

P9 剖面長(zhǎng)900 m,方位角為NE158.5°。 該剖面最低點(diǎn)高程為302 m,最高點(diǎn)高程為343 m,最大高差為41 m。

圖5 為P9 剖面反演解釋成果。 從剖面垂向來(lái)看,上部為厚5 ～20 m 的低阻層,此低阻層分布較為均勻,變化平緩,阻值≤50 Ω·m,推斷為第四系坡積沖積松散土層。 下部為電阻率值100 ～1 000 Ω·m 的中、高阻區(qū),推斷為奧陶系灰?guī)r。 電阻率值≥1 000 Ω·m 的高阻區(qū)推斷為侵入的閃長(zhǎng)巖體。

圖4 P7 剖面反演解釋成果

圖5 P9 剖面反演解釋成果

從水平方向來(lái)看,剖面按異常特征可劃分為兩個(gè)部分,第一部分位于P9-1 ～P9-110 間,電阻率值≥1 000 Ω·m,推斷為侵入的閃長(zhǎng)巖體。 第二部分從P9-110 到該剖面結(jié)束,電阻率值≤1 000 Ω·m,推斷為奧陶系灰?guī)r。 P9-110 下方為陡立密集的異常梯度帶,推斷該處為閃長(zhǎng)巖的侵入邊界。 在點(diǎn)P9-30 ～P9-96 之間,存在一個(gè)條帶狀高阻異常帶,電阻率值≥5 000 Ω·m,推斷該異常由采空區(qū)引起。 采空區(qū)左側(cè)邊界有一近似呈45°角向地表延伸的線性高阻異常梯度帶(延伸至地表P9-12 處),推斷該處為采空區(qū)在地表的左側(cè)影響邊界。 在右側(cè)同樣存在一個(gè)異常梯度帶,延伸至地表P9-115 點(diǎn)處,推斷該處為采空區(qū)在地表的右側(cè)影響邊界。

6.2 水平剖面解譯

圖6 為推斷采空區(qū)水平切片示意。 由圖6 可知,采空區(qū)上下跨度較大,與礦體產(chǎn)狀陡傾關(guān)系較大,但大面積采空范圍的高程主要集中在250 ～280 m 范圍之間。

6.3 綜合地質(zhì)解釋及驗(yàn)證

圖6 采空區(qū)水平切片解釋成果

基于上述各剖面的地質(zhì)解釋結(jié)果及各層切片解釋結(jié)果,將其投影到測(cè)區(qū)地表,結(jié)合已掌握的地質(zhì)資料,做如下推斷解釋:測(cè)區(qū)內(nèi)表層大部分被第四系松散土層所覆蓋,山頂部位有基巖出露,其埋深為2 ～30 m 不等,基巖埋深從兩坡向溝谷中心呈逐漸增大的趨勢(shì)?？辈靺^(qū)中部有采空區(qū),推斷采空區(qū)地表投影位置及范圍如圖7 所示。

圖7 綜合解釋成果

規(guī)劃鐵路專用線在P9 剖面處受采空區(qū)影響。 根據(jù)物探結(jié)果,推斷P7 剖面無(wú)采空區(qū)、溶蝕及斷裂帶等構(gòu)造,地層層位清晰,下方地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,工程地質(zhì)性質(zhì)良好。

根據(jù)《鐵路工程采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)指南》,運(yùn)用式(2)估算鐵路距采空區(qū)的安全距離,有

圖8 小型采空區(qū)安全距離計(jì)算

式中 L——圍護(hù)帶寬度/m,工礦企業(yè)專用鐵路取5 m;

H1——松散層厚度/m;

H2——頂板以上基巖厚度/m;

φ——松散層移動(dòng)角/(°);

δ——塌陷擴(kuò)散角或巖移角,普速鐵路取移動(dòng)角,無(wú)砟軌道高速鐵路取邊界角,當(dāng)無(wú)地方經(jīng)驗(yàn)時(shí)可按式(3)計(jì)算

k—系數(shù),為0.8 ～1.0,普速鐵路取1.0,高速鐵路取0.8;

φ—巖石內(nèi)摩擦角。

根據(jù)物探結(jié)果和鐵路采空區(qū)計(jì)算,巖層產(chǎn)狀取268°∠45°,擴(kuò)散角δ0取55°,石灰?guī)r內(nèi)摩擦角取47.5°,頂板以上基巖厚度取240 m。 根據(jù)附近鉆孔資料,確定松散層為第四系黃土狀粉質(zhì)黏土,厚8.3 m,松散層移動(dòng)角取40°[15]。 計(jì)算可得M=108.1 m,線路在推測(cè)的采空區(qū)影響范圍內(nèi)。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過工程實(shí)例,證明高密度電阻率法在矽卡巖鐵礦采空區(qū)的勘察過程中可行,采用鉆探驗(yàn)證和理論公式計(jì)算相結(jié)合的方法,可大大節(jié)省可研階段的調(diào)查時(shí)間,為鐵路選線提供準(zhǔn)確的依據(jù)。