活性炭測氡及瞬變電磁法在礦山采空區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用研究

陳興峰，武興隆，張 彥

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津 301800）

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對金屬資源需求量越來越大。在一些礦山開采礦炭過程中，隨著礦炭不斷運(yùn)出，形成礦山采空區(qū)。如礦山采空區(qū)不再進(jìn)行加固，且不進(jìn)行回填，將會造成一定地質(zhì)災(zāi)害[1]。例如地面塌陷、沉降，形成積水。對礦山采空區(qū)探測物探方法進(jìn)行分析研究，有利于為目前地質(zhì)災(zāi)害治理提供幫助。

1 調(diào)查區(qū)環(huán)境地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)總的地勢為南高北低。調(diào)查區(qū)地貌單元類型單一，微地貌形態(tài)較復(fù)雜。區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，切割強(qiáng)烈，沖溝發(fā)育，呈樹枝狀分布。

小南村井田地表為黃土半掩蓋區(qū)，基巖多出露于溝谷兩側(cè)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和地表出露情況，井田內(nèi)地層由老到新依次為下古生界奧陶系，上古生界石炭系和二疊系及新生界第四系。

本區(qū)含礦地層為石炭系本溪組、太原組，石炭系本溪組、二疊系山西組因沉積環(huán)境限制，礦層極薄，且自然分層復(fù)雜，連續(xù)性較差，無開采價值。主要含礦地層為太原組，厚度87m～118m，含可采或局部可采礦層2層，編號由上而下為2號礦層、5號礦層。小南村礦區(qū)批準(zhǔn)開采礦層為一層，即5號礦層。

小南村井田位于南山礦區(qū)東北部，經(jīng)地面勘查及井下揭露，地層傾角10°～15°，平均12°左右，為緩傾斜地層。井田面積較小，所在區(qū)域經(jīng)過的斷裂較少，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無巖漿巖體侵入。除了梁家溝斷層以外分布5條小斷層。

本礦區(qū)位于中山區(qū)與地表分水嶺處，大氣降水量少，地表蒸發(fā)量大，人口不多，無工礦企業(yè)大量取水，小南村礦山業(yè)已停止生產(chǎn)，排出的地下水水量很小且做為當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟谶@種自然環(huán)境條件下，均保持自然補(bǔ)給、徑流、排泄?fàn)顟B(tài)。

2 活性炭測氡及瞬變電磁法

2017年，在小南村調(diào)查區(qū)開展比例尺為1∶5000(測網(wǎng)：（50m×10m）的活性炭測氡工作。測線170°布設(shè)，調(diào)查區(qū)面積為0.68km2，共獲取428個測點氡濃度數(shù)據(jù)。瞬變電磁測深選取9號氡測線的同點位測量，取得14個數(shù)據(jù)。

2.1 活性炭測氡理論依據(jù)

當(dāng)?shù)叵碌V層被采出后破壞了巖體中原有的天然應(yīng)力狀態(tài)，逐漸產(chǎn)生巖石破碎帶、斷裂，進(jìn)而改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用[2]。主要表現(xiàn)為三個方面，儲氣、集氣、通道作用。通過上述作用，氡射氣元素向巖石斷裂破碎帶運(yùn)移，在裂隙集聚，在地表形成一個與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。

2.2 瞬變電磁測深理論依據(jù)

根據(jù)地質(zhì)資料可知勘探區(qū)內(nèi)地層從新到老依次為新生界地層，古生界二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組和山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組及奧陶系中統(tǒng)峰峰組。當(dāng)?shù)貙油暾瑳]有地質(zhì)構(gòu)造及采空破壞時，電阻率斷面電性特征明顯從上到下逐漸升高。地下的礦層被采出后，在巖層內(nèi)形成一個有一定規(guī)模的空間，與圍巖相比，采空區(qū)的電阻率為無窮大，會出現(xiàn)相對高阻異常區(qū)。但是隨著時間的推移，上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，采空區(qū)的電阻率隨著發(fā)生變化，會出現(xiàn)相對低阻異常區(qū)。因為采空區(qū)存在這樣電阻率差異的前提，因此本次勘探選擇對電阻率差異反映比較敏感瞬變電磁進(jìn)行施工。據(jù)收集的資料得知整套地層的電阻率在縱向上呈現(xiàn)為低～中～高的特征反映，為A型(如表1)。本區(qū)的瞬變電磁勘探背景條件較好，具備瞬變電磁勘探的地球物理前提。

表1 調(diào)查區(qū)地層電性一覽表

3 采空區(qū)斷面解釋

3.1 采礦層特征

太原組為本井田主要含礦地層。2號、5號礦層為可采礦層，批準(zhǔn)采礦層為5號礦層，特征是：采空區(qū)主要位于礦區(qū)南部，由南山礦山采礦活動形成，底板標(biāo)高1160.79m～697.50m深247.12m～564.82m礦 層 厚 度6.26m～13.26m，平均為9.70m。采空區(qū)總面積約1.02km2；靠近南部地表礦層露頭附近，有大片的采空及破壞區(qū)。

3.2 采空區(qū)異常特征及解釋原則

通過調(diào)查區(qū)試驗總結(jié)出采空區(qū)TEM異常特征為：①表現(xiàn)為視電阻率的橫向分帶性，視電阻率值沿測線具有一定的變化；②低阻異常特征；③形態(tài)上表現(xiàn)為向下彎曲低阻及相對低阻。因此在TEM視電阻率斷面圖上具有上述特征的異常均推斷為采空（破壞）區(qū)。活性炭測氡法氡值異常特征：①氡值一般明顯偏高；②氡值無規(guī)律跳躍區(qū)域。總結(jié)試驗采空區(qū)特征，排除相對異常問題，保證解釋具有較好的客觀性。同時考慮到瞬變電磁法早期信號存在一定的盲區(qū)，會缺失淺部地層地質(zhì)信息。須結(jié)合試驗采空TEM異常特征、氡異常特征和地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對調(diào)查區(qū)的TEM視電阻率斷面圖及氡濃度等值線圖進(jìn)行綜合解釋，劃出異常空間分布。

3.3 采空區(qū)推斷解釋

圖1 氡濃度等值線圖

數(shù)理統(tǒng)計得，調(diào)查區(qū)氡濃度值在157.1Bq/m3～25761.1Bq/m3之間，背景值為1443.8Bq/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為658.4Bq/m3，變異系數(shù)為0.46。以活性炭氡濃度2000Bq/m3左右為異常下限，可圈出3處異常區(qū)（見圖1）。由圖可知，調(diào)查區(qū)氡濃度異常分布規(guī)律性較明顯，大致呈北東45°方向展布，和地質(zhì)勘測采空區(qū)范圍及形態(tài)基本吻合。異常氡濃度值最高的是YCQ-2，推測這處采空區(qū)空間分布相對較大。

為了解采空區(qū)的含水情況及垂向分布特征，沿活性炭測線9線12點～60點布設(shè)瞬變電磁測深工作，對其成果解釋如下：

圖2為900線電阻率反演面圖，圖中電阻率等值線出現(xiàn)向下凹陷且等值線變密特征的區(qū)段主要在9線的2000號～2100號、2110號～2200號、2340號～2450號、2490號～2640號測點之間，電阻率值相對較低，與采空區(qū)電性特征反映極為相似，推測為5號礦層采空區(qū)的電性反映。特別是在2340段～2450段，等值線下凹尤為明顯，存在積水的可能性較高。

圖2 9線瞬變電磁法電阻率反演斷面圖

ZK-1鉆孔布設(shè)于瞬變電磁測深9線2340段～2450段。經(jīng)施工驗證發(fā)現(xiàn)鉆孔全孔漿液消耗量偏大，且鉆孔所取巖芯破碎，鉆孔在距地面108.33m深度以下出現(xiàn)泥漿全漏、消耗量為全泵量，出現(xiàn)突然發(fā)生掉鉆、埋鉆情況甚至無法取芯等現(xiàn)象，與物探推測5號礦層采空區(qū)位置一致。

4 結(jié)論

在礦山采空區(qū)探測應(yīng)用活性炭測氡是一種較高效、實用的物探方法，它能夠有效解決采空區(qū)范圍分布問題；瞬變電磁法作為一種時間域的電磁勘探方法，具有信噪比高、穿透高阻能力強(qiáng)等優(yōu)點，能夠有效反映深部采空區(qū)信息。通過兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，一定程度可有效圈定積水重點地段，為鉆孔布設(shè)提供一定依據(jù)，同時鉆孔驗證結(jié)果佐證了物探方法是有效的。