综合物探技术在矿山采空区勘察中的应用_王成龙.pdf

22 STONE 2 0 2 3 No.2工程勘察综合物探技术在矿山采空区勘察中的应用王成龙（河北省水文工程地质勘查院（河北省遥感中心），河北 石家庄 0 50 0 2 1）0 引言上世纪8 0年代末90年代初，我国矿山开采秩序较为混乱，非法的私挖滥采活动猖獗，往往正规矿山周围分布着众多小矿山，既严重影响正规矿山的安全开采又对地上建筑及人民生命财产安全造成极大的威胁。因此，勘测出采空区的空间分布并对其治理已迫在眉睫。本文结合位于邯邢地区某处铁矿采空区勘察工程实例，运用综合物探技术对铁矿采空区进行勘察，查明了地下采空区的分布情况，并利用钻探验证了物探结果的可靠性。1 项目区概况项目区位于河北省邯郸武安市矿山镇西北部，主要地貌形态为阶梯状耕地。地形总趋势是中间高南北低，东高西低，海拔275.5-28 9.9m，相对高差约14m，地表有断续出露的塌陷和裂缝，地表裂缝最宽处有1.5m 左右。项目区及周边出露的地层时代为奥陶系中统马家沟组（O2m）、磁县组（O2c）、峰峰组（O2f）和第四系（Q）。奥陶系中统马家沟组（O2m）主要岩性为厚层灰岩、花斑灰岩及白云质灰岩，厚度160m左右；奥陶系中统磁县组（O2c）主要岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩、花斑状灰岩，总厚244m；奥陶系中统峰峰组（O2f）主要岩性为角砾状灰岩夹致密白云质灰岩、中层致密灰岩夹花斑状及含白云质灰岩，总厚度227m；第四系（Q）主要岩性为冲洪积、残坡积黄土、砂砾石层及冰积粘土砾石层，厚度不等。灰岩受燕山期（距今0.71.96亿年）岩浆岩侵入，往往在接触带形成具有工业价值的铁矿-著名的邯邢式铁矿。本地区的邯邢式铁矿基本上产在奥陶系中统磁县组（75%）、峰峰组（15%）和马家沟组（10%）中。2 地球物理前提根据收集的地质资料与现场试验，项目区基岩埋深较浅，不同岩土层即覆盖层与基岩间、基岩与采空（塌陷）区之间均存在着较明显的地震波速差异，即不同岩性地层之间存在波阻抗界面。地震波在地层中传播的过程中，遇到断层破碎带、采空面、采空沉陷带等CD P剖面图反射波同相轴会出现弯曲、错动、混乱等现象，这为地震反射波法勘探提供了地球物理前提。在地电场中，岩层的变化、采空区、断层破碎带、采空积水等均会有不同的电性特征表现。而不同岩土层之间的电性差异为瞬变电磁法工作的开展提供了地球物理前提。因此，利用地震反射波法与瞬变电磁法等勘探技术能够判别各岩性层的分布规律，追踪各目的层的连续性，能够识别采空区、采空塌陷区、采空积水等。根据相似地区电性参数及本区相关的测井资料，综合分析本区主要岩层的电性特征见表1。表 1 主要岩层的电性特征表 岩性第四系黄土矽卡岩铁矿电阻率（m）256010050岩性闪长岩石灰岩采空积水电阻率（m）2508 03008 03 工作方法探测采空区常规的物探方法有高密度电法、瞬变作者简介：王成龙（19 8 4），男，黑龙江七台河人，河北省水勘院物化探研究所副所长、物探专业副总工程师，物探高级工程师，主要从事物探专业的应用与研究工作DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0062石材2 0 2 3 年2 期 23 石 材S H I C A I工程勘察电磁法、地震反射波法、大地电磁测深法等。针对该项目探测深度在300m 左右、采空规模不是很大的铁矿采空区探测，高密度电法在探测深度上很难满足、大地电磁法在纵向分辨率方面也很难达到精细探测的效果，经过方法对比试验，选择瞬变电磁法和地震反射波法作为该项目的探测方法是相对适宜的。采用单一物探方法易受到自身特点及场地条件限制，更易出现多解性现象，采用瞬变电磁法和地震反射波法相组合的综合物探技术可以最大程度提高物探解译精度和降低物探多解性，瞬变电磁法由于自身的体积效应影响圈定的异常体形态大小，地震反射波法刻画出的异常顶底板可以很好的减小瞬变电磁法体积效应影响。3.1 瞬变电磁法瞬变电磁法又称时间域电磁法，简称TEM，属于电磁感应类探测方法，它遵循电磁感应原理，其机理就是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线或磁偶极子向地下发射脉冲电磁波作为激发场源（习惯上称为“一次场”），根据法拉第电磁感应定律，脉冲电磁波结束以后，大地或探测目标体在激发场（即“一次场”）的作用下，其内部会产生感生的涡流，这种涡流有空间特性和时间特性。人们虽然不能直接测量这种涡流的大小，但是可以利用专门仪器观测这种涡流产生的电磁场（称为“二次场”）的强弱、空间分布特性和时间特性。针对一次场脉冲信号，二次场信号表示为：式中：0磁导率；M 发送线圈磁矩；q 接收线圈等效面积；地层电阻率；t 时间。从上式看出，二次场信号与3/4、t 5/4成反比。即“二次场”的本质特征是由探测目标的物理性质及赋存状态决定，其时间特性中，早期信号反映浅部地层地质信息，晚期信号反映深部地层地质信息，时间的早晚与探测深度具有对应关系。在瞬变电磁法中常用的工作装置有重叠回线装置、中心回线装置、偶极偶极装置和大定源装置。根据本次勘探的地质任务、精度要求和区内地形、地质条件，本次选用瞬变电磁法中的大定源内回线装置，该装置近年来在瞬变电磁勘探中得到了广泛应用，结合了中心回线的建场优势和定源回线的灵活施测特点，其优点是可以同时兼顾水平和垂向的电性变化情况。本次瞬变电磁法勘探采用加拿大G e o n i c s 公司生产的Pr o TEM 67P电法仪，最大供电电流25A、发射线框边长400m。3.2 地震反射波法不同岩土层即覆盖层与基岩间、基岩与采空（塌陷）区之间均存在着较明显的地震波速差异，即不同岩性地层之间存在波阻抗界面。地震波在地层中传播的过程中，遇到不同的波阻抗界面均会产生不同的反射波，通过对反射波同相轴的形态分析，进而推测岩层的变化、潜水面、断层破碎带、采空面、采空沉陷带等。本次采用多次覆盖开展外业观测，在观测系统上采用18 次叠加单边观测系统，勘探设备采用美国St r a t a Vi s o r 公司生产的NZX P-96地震仪，震源采用28 T可控震源车。4 成果解译项目区内网格化布置瞬变电磁剖面40条，在瞬变电磁法解译成果中推测有异常的剖面重合布置地震反射波法剖面9条，下面以其中1条瞬变电磁及地震反射波重合剖面为例进行成果解译描述，见图1。图1重合剖面探测解译成果图。从瞬变电磁法视电阻率断面图中可以看出，上部约20m 深度以浅为盲区，不做分析解释；地表下200m左右以浅地层，视电阻率值相对较低，推测是奥陶系灰岩电性反映；200m 500m 左右红色区域视电阻率值相对较高，推测是闪长岩的电性反映。在测线里程150200m 左右深度在地表下260300m 左右在灰岩与闪 24 STONE 2 0 2 3 No.2工程勘察长岩的接触带附近电阻率等值线呈现低阻闭合形态，推测为铁矿采空且已充水。从地震反射波法CD P剖面图中可以看出，图中4060m s 左右浅部青色实线推测为第四系覆盖层底部的反射波阻抗界面，结合速度分析，取反射波的叠加速度为500m/s，推算其界面的埋深在1017.5m 左右；60350m s 左右各层反射波同相轴连续、清晰，推测为奥陶系灰岩的反映。深部（时间350500m s 左右）反射波同相轴连续性差，推测为侵入岩体的反映。在剖面里程0-100m 左右，时间在20028 0m s 左右（图中绿色实线），反射波同相轴混乱、缺失，推测为铁矿采空异常段，结合速度分析，取灰岩反射波叠加速度为1600 m/s、闪长岩反射波叠加速度为2400 m/s，推测该异常段顶板埋深在地表下260270m 左右、底板埋深在地表下28 0290m 左右。经 钻 孔（Z K2）验证，ZK 2终孔孔深310m，自上而下揭露地层为第四系覆盖层、奥陶系灰岩及闪长岩，在271.1-293.3m揭露采空区，该层钻进过程中出现掉钻现象、岩芯破碎、见少量铁矿石块，根据钻探与物探结果对比分析，验证了物探成果的准确性。5 结论本文通过工程实例论述了采用瞬变电磁法与地震反射波法相结合的综合物探技术推测出采空区的位置、深度和规模，基本查明了采空区的空间分布形态，通过对物探异常处进行钻孔验证，两者结果基本吻合，结论表明应用瞬变电磁法与地震反射波法组合的物探技术对矿山采空区勘察是行之有效的。参 考 文 献1 王霞，谢孔金，韩刚等 综合物探技术在煤矿采空区勘察中 的应用 华北地震科学 2 0 2 0（0 4）2 龙霞，习振铢，周胜等.等值反磁通原理瞬变电磁法探测 薄层能力 地球物理学进展 2 0 2 0（3 5）3 万佳明.综合物探在金属矿采空区勘查中的应用及难点分 析世界有色金属 2 0 19（19）4 刘文才.综合物探在小煤窑采空区勘察中的应用 铁道勘察 2 0 16（0 6）5 李希乐.综合物探在石城崮铁矿采空区勘查中的应用 吉林 地质 2 0 2 0（0 2）6 郑建烽.瞬变电磁法在铁矿采空区探测中的应用 能源与环 保 2 0 2 0（0 6）图 1 重合剖面探测解译成果图