广西盐田石灰石矿山滨海岩溶...导水通道关键探查技术及应用_崔向东.pdf

第 卷 第期 ，年 月 ，：广西盐田石灰石矿山滨海岩溶区导水通道关键探查技术及应用崔向东，林久卿，苏建明，王凯，高晓杰，李召峰，青尚杰，张洪飞，王新，彭晓光，张建国，张昭雷（山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 ；华润水泥投资有限公司，广东 深圳 ；山东高速股份有限公司，山东 济南 ）山东大学岩土与工程研究中心，山东 济南 ；华润水泥（合浦）有限公司，广西 北海 ）摘要：广西合浦县盐田石灰石矿属于三面环海的凹陷式矿山，常年潮汐冲刷侵蚀作用导致该区域岩溶发育程度高，地层富水性强。潮汐水位变化对浅部地层岩溶构造的充水状态起决定性作用，浅部地层的岩溶构造充水率低不利于低阻显影，给导水构造精细化探查及后期注浆帷幕的布置带来困扰。基于区域潮汐水文特点，采用“瞬变电磁高密度电法微动探测高潮水位时段”的手段，将空间与时间相结合，降低了物探手段单一、测线空间布置不当和潮位过低造成的误差。钻探工程验证结果表明，该组方法有效预测了导水构造的规模和范围，为类似滨海岩溶地区的导水构造精细化探查提供借鉴。关键词：滨海岩溶；富水地层；潮汐作用；物探方法；导水通道探查；合浦中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言我国是水泥材料生产大国，随着经济的迅猛发展和国家大开发战略要求，石灰石矿开发逐渐转向水文地质环境更加复杂、不良地质异常发育的偏远地区。施工过程中各类工程地质灾害层出不穷，给岩土工程探查技术、治理理论、材料和工艺带来了巨大的挑战。其中，岩溶地区作为我国一种最为普遍的地质类型，分布面积约为 万平方千米，约占国土面积的，广泛分布于云南、贵州及两广等地区。由于常年受到独特水文地质环境的影响，岩溶地区地下水补给充沛，溶洞溶腔、断层、破碎带等不良地质十分发育，施工生产过程中极易造成地面塌陷、突水突泥等不良地质灾害。盐田石灰石矿山位于广西壮族自治区北海市合浦县，三面环海，属于典型的滨海岩溶地区，受潮汐及地下水影响，地下导水通道复杂且联通程度高，溶蚀裂隙、管道及溶洞等不良地质构造十分发育，对地球物理探测的技术要求更加苛刻。近年来，为减少地下工程引发的岩溶地质灾害，国内外学者针对岩溶地区水文地质采用的地球物理探测技术、手段和方法的研究越来越多，有的单独运用某种物探技术如高密度电法、等值反磁通瞬变电磁法 进行探测，有的则采用综合物探技术如高密度电阻率法与瞬变电磁法结合，地质雷达、高密度电阻率法、测井结合。而对一些需要进行精细化探查的，更是采用综合物探与其他技术结合的方法 。基于上述学者采用综合物探与其他技术结合对岩溶构造精细化探查的方法思路，针对现有探查方法收稿日期：；修回日期：基金项目：山东省重大科技创新工程项目（）、山东省自然科学基金重点项目（）、山东省重大科技创新工程项目（）共同资助。第一作者：崔向东（），男，高级工程师，主要从事岩土与地下工程方面的研究。：通信作者：高晓杰（），男，博士研究生，主要从事地下工程防灾减灾方面的研究。：引文格式：崔向东，林久卿，苏建明，等广西盐田石灰石矿山滨海岩溶区导水通道关键探查技术及应用矿产与地质，（）：，对滨海岩溶区导水构造的探查精度不足，本文以盐田石灰石矿为例，对矿山主要涌水点的导水构造进行精细化探查，提出了“瞬变电磁高密度电法微动探测高潮水位时段”的空间与时间相结合的探查手段，消除物探手段单一、测线空间布置不当与潮位过低造成的结果误差，完善了滨海岩溶地区导水构造的地球物理探查方法。工程概况盐田石灰石矿山隶属华润水泥（合浦）有限公司，占地面积 ，位于铁山港海叉西支的北端，南部紧邻北部湾，其主要水文现象有内陆水系及北部湾水域，内陆水系发育一般。流经矿区的内陆水系主要有两条小型河流，流向均为自北向南，且流量较小，矿区水系分布见图。盐田石灰石矿山采用露天凹陷的开采方式，根据矿石资源分布特点及夹层带走向，采取自上而下，多水平同时采掘的方式进行开采。矿区航拍图及主要出水点见图。随着对矿床的进一步开采，海水倒灌、岩溶塌陷、矿坑涌水等一系列环境地质问题逐渐显现，亟需采取针对性措施予以解决。经现场地质勘查可知，本区域大地构造单元为华夏陆块台云开地块天堂山隆起西南端，区内构造极其复杂。区域内自上而下发育有第四系、白垩系、石炭系、泥盆系、志留系等地层。区内上覆地层主要为第四系粗砂、含砾粗砂、泥质砂土、砂质黏土、黏土及淤泥等松散堆积物。下覆基岩为白垩系上统罗文组巨厚层状火山角砾岩及火山岩；下石炭统尧云岭组灰岩、泥质灰岩、泥岩等；上泥盆统帽子峰组灰岩、白云质灰岩、大理岩化灰岩；下志留统连滩组泥岩、粉砂质泥岩夹细砂岩、粉砂岩等，具体见图。图矿区水系分布图 尧云岭组灰岩裂隙岩溶含水岩组帽子峰组矿岩裂隙弱含水岩组天子岭组灰岩裂隙岩溶含水岩组潮水浸渗范围断层地表水系灰岩采坑岩溶塌陷民井、泉及编号 水文地质剖面线 地质预查钻孔 居民点 道路 海堤 水文地质钻孔（编号孔深）矿区范围矿 产 与 地 质 年图矿区航拍图 图矿区区域地质图 第四系上白垩统罗文组下石炭统尧云岭组上泥盆统天帽子峰组上泥盆统天子岭组中泥盆统信都组下泥盆统莲花山组下志留统连滩组实测推测地层界线 实测不整合界线 实测断层 推测断层 实测正断层 实测逆断层 道路矿区内导水构造主要为岩溶裂隙及溶洞，岩溶裂隙多沿岩层层面或节理裂隙面发育。矿区地下溶洞多数为半含水状态，且主要发育在高程 之间。此外，水点高程在 处，结合矿区水文地质勘察结果可以判断，水点主要由浅部导水构造补给，且多以中小型岩溶裂隙、溶洞为主，受潮汐影响程度高。由于浅部灰岩地层发育有岩溶裂隙、溶洞等不良岩溶地质体，影响地层正常结构及完整性，改变原有地层的地球物理特征，形成新的物性特点（电阻率、波阻抗、磁化率等），为相应物探手段的选取奠定基础。为了有效辨别岩溶导水构造，治理矿坑最大的涌水点（日涌水量达 万立方米），根据研究区物性特点选取“瞬变电磁法（电磁感应）高密度电法（电阻率第 卷第期崔向东等：广西盐田石灰石矿山滨海岩溶区导水通道关键探查技术及应用感应）微动探测（波速感应）高潮水位时段（浅部导水构造充水）”的空间与时间相结合的探查手段，最大程度的避免单一物探方法的多解性，并结合钻探确定导水构造，便于后期注浆帷幕的施工。潮汐特征 潮汐水文特征通过潮汐监测发现，农历每月潮型呈现两高潮两低潮一高潮一低潮两高潮两低潮一高潮两低潮循环交替的情况（图）。此外，潮汐监测结果表明，一高潮两低潮的情况下，潮水位可达到当月最高水平，有利于浅部地层中导水构造充水，便于对充水后的低阻导水构造进行探查。涨落潮地层充水情况见图。涌水点受海水补给程度分析涌水点作为矿坑内最大涌水点，日涌水量为 万立方米（图）。由图可见，涌水点流量变化基本与潮汐水位变化规律符合，并且高潮位与低潮位流量相差高达倍，证实该水点受海水涨潮补给影响大，也进一步证明该区域浅部导水构造发育程度比深部构造更为剧烈，对矿坑突涌水的影响程度更高，更加凸显浅部岩溶构造高潮水位时段充水显影对导水构造精细化探查工作及注浆帷幕设计的必要性。图潮汐水位监测 （）两高潮两低潮（）一高潮一低潮（）两高潮两低潮（）一高潮两低潮图涨落潮地层充水示意图 矿 产 与 地 质 年图潮汐与水点水量关系 地球物理探测 地球物理特征根据矿山范围内地层岩性及岩溶发育特征，结合经验值，本文物探技术采用的岩土物性参数见表。表岩土物性参数 岩土名称电阻率（）地表回填土 砂质黏土 泥质灰岩 灰岩 溶洞充水 物探工作方法原理瞬变电磁法：是利用不接地回线或接地线源向地下发射脉冲磁场，通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征，反演地下构造。高密度电阻率法：通过布置多组接地电极，分析电阻率的高低确定地下电性分布情况，进而对地下目标进行成像。微动探测：基于不同介质之间存在的波速差异，从微动信号中提取面波频散曲线，通过对频散曲线反演确定目标异常体。物探测线布置本次探测采用 瞬 变 电 磁（）、高 密 度 电 法（）和微动探测（）结合的方法，三者可以相互补充，相互验证。根据 城市工程地球物理探测标准 ，结合注浆施工要求、场地条件和现场踏勘了解的情况，物探测线主要沿着矿坑西南周边布置，本次物探调查共布置条测线（图）。图测线布置图 其中瞬变电磁法设计点距，测线沿矿坑四周布置；高密度电法采用对称四极的观测方式，设计单线采用 个电极，电极距为，探测方法示意见图。微动探测设计点距，测线沿矿坑四周布置。为了保证探测结果的准确性，瞬变电磁数据观测的复合率为，高密度电法数据观测的复合率为，微动探测数据观测的复合率为，且三种物探方法布线位置基本重合。图高密度电阻率测点布置 第 卷第期崔向东等：广西盐田石灰石矿山滨海岩溶区导水通道关键探查技术及应用由于现有物探方法大都是基于不同介质间电阻率、波速传播差异进行构造定位，为了便于导水构造的精细化探查，选取每月中“一高潮两低潮时段”进行集中物探工作，此时潮位达到当月最高，提高了地层中的充水程度，有利于浅地层导水构造的显影，降低探测结果的误差。物探结果解析对每条物探测线数据进行处理，再经过相应反演软件分析，形成相应的物探结果图。根据瞬变电磁与高密度电法解译图中电阻率值的大小及其分布特征，推断导水通道的大致走向。一般而言，涌水通道含水率高，会呈现低电阻率异常。而微动探测主要通过横波速度剖面推断相应的异常区域，一般来说含水构造会比完整岩石呈现更低的波速。利用以上物探手段初步推测获得矿区范围内的导水构造。瞬变电磁法探测结果对矿区西南部三条瞬变电磁测线进行反演分析，反演结果见图。图中蓝色青色绿色黄色红色代表电阻率依次升高。由图可见，测线探测区域内出现三处低阻异常区，其中一处区域距塌陷坑较近，且探测低阻异常范围较大，推测为溶洞及岩溶裂隙发育；第二处异常范围较小，推测为小型溶洞发育；第三处因地表土被水浸没，推测为松散表层土浸水低阻区。测线探测区域内出现一处较大的低阻异常区，且此处与地表塌陷显现位置较为符合，故推测此处为溶洞及岩溶裂隙发育。测线探测区域内出现两处低阻异常区，其中范围较大的一处低阻异常区对应着塌陷区域，推测此处为溶洞及岩溶裂隙发育；另一处异常范围较小，推测为小型溶洞发育。高密度电法探测结果对矿区西南部三条高密度测线进行反演分析，反演结果见图。由图 可见，测线探测区域内出现两处低阻异常区，其中一处与塌陷较近，且异常范围较小，推断为小型溶洞发育，另一处推测为岩溶裂隙发育。测线探测区域内出现两处低阻异常区，其中一处位于塌陷附近，且异常规模较小，推断为小型溶洞发育，另一处较大范围异常区推测为溶洞及岩溶裂隙发育。测线探测区域内出现两处较大范围的低阻异常区，且一处位于塌陷附近，推测两处异常区均为溶洞及岩溶裂隙发育。微动探测结果对矿区西南部三条微动测线进行反演分析，反演结果见图。由图 可见，测线探测区域内出现两处低速异常区且范围较小，其中一处与塌陷较图瞬变电磁反演图（）图 高密度电法反演图（）近，推断两处均为小型溶洞发育。测线探测区域内出现一处低速异常区，且位于塌陷附近，异常规模较小，推断为小型溶洞发育。测线探测区域内出现两处较大范围的低速异常区，且一处位于塌陷附近，推测两处异常区均为溶洞及岩溶裂隙发育。三种物探方法综合分析：通过图至图 反演结矿 产 与 地 质 年图 微动探测反演图（）果对比发现，三种物探手段探测到的导水构造位置及规模相近。综合分析现场地形及本区域岩溶构造发育特征后可推断，测线区域内存在两处导水构造，分别为（小型溶洞）、（小型溶洞）；测线区域内存在两处导水构造，分别为（溶洞及岩溶裂隙）、（小型溶洞）；测线区域内存在两处导水构造，分别为 （溶洞及岩溶裂隙）、（溶洞及岩溶裂隙）。结果验证及导水预测 物探结果验证在推断出的个导水构造范围内布置勘察钻孔以验证物探结果准确性，其中有个勘察钻孔 分别揭露导水构造、，钻孔揭露的典型地质构造信息见图。图 与图至图 对比可知，物探结果与钻探结果吻合度较高。高潮位时段使原本退潮时的导水构造再次充水，显著提升浅层位及细小导水构造的显影，形成电阻率及波速差异，能准确的探查出大尺度岩溶导水构造，同时也能较好的表征浅地表小尺度导水裂隙。并且导水构造大都分