矽卡巖型鐵礦采空區電法勘探應用

2019-10-28 06:42:28鄭瑞釗

鐵道勘察 2019年5期

鄭瑞釗

(錦州鐵道勘察設計院有限公司,遼寧錦州 121000)

1 概述

目前,常用于采空區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。鐵礦采空區因其自身特點(易產生電磁干擾),歷來是物探工作的難點。季凇達曾利用重力法和電磁法的綜合物探手段[6],準確測定了某鐵礦采空區的分布情況。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中的應用[2]。

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

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

2 勘察區工程地質概況

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

3 勘察區地球物理特征

勘察區巖性較為單一,主要分布有奧陶系中統馬家溝組灰巖,第四系粉土及粉質黏土,燕山期侵入閃長巖等。該矽卡巖型鐵礦區面積為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 年關閉,形成的采空塌陷坑南北長約100 m,東西寬約80 m,深度為10 ～15 m,測區主要介質電阻率分布范圍見表1。

表1 測區主要介質電阻率范圍 Ω·m

由表1 可知,區內第四系地層呈低阻性;灰巖和閃長巖呈高阻性;矽卡巖呈中—高阻性;如地下巷道采空區未出現塌冒,可視為無窮大的高阻異常;當塌陷明顯且填充有淤泥、積水時,則為低阻異常[7]。

4 野外數據采集及處理

4.1 測網布置

結合已知地質資料和實際地形情況,本著既能有效控制測區內主要采空區對鐵路的影響范圍,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 條物探測線(見圖1)。

圖1 物探工作布置

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

4.2 觀測過程

野外工作中,首先沿測量剖面布置好電極,將所布電極與儀器相連接,而后加載工作電源。打開儀器后,設置工作參數,并進行接地電阻檢測和導線絕緣檢查,檢測合格后方能啟動自動測量采集。儀器可實時自動記錄電位差、電流、隔離系數、裝置系數和視電阻率值等數據。測量結束后以數據文件的形式存入測量儀器內,并填寫野外記錄表。若測量剖面較長,一個觀測排列不能完全覆蓋全部設計剖面,應采用多排列邊界交疊的方式進行續段滾動測量(每次滾動30 道)。每次測量時,隔離系數從1 變化到30,電極距會從5 m 逐步增加到450 m。因此,在測量過程中,應根據極距及時調整供電電壓[45]。

4.3 質量評價

為確保觀測質量,對野外觀測數據采取“一同二不同”的方式進行質檢,即采用同一測點、不同時間、不同操作員,對實際完成觀測工作量3%以上的測點進行重復檢查觀測,并將其兩次觀測數據進行均方相對誤差計算[12],有

式中:pi—第i 點原始觀測數據;—第i 點系統檢測觀測數據;ˉpi—第i 點原始觀測數據與系統檢查觀測數據的平均值;n—檢查點數。

5 數據處理技術

高密度電阻率法的數據處理是把所測得的視電阻率經數據預處理、數據反演計算、資料解釋,最后獲得地質解譯成果的過程,處理流程如圖2 所示[1]。

圖2 高密度電阻率法數據處理流程

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900 m,方位角為NE68.0°。該剖面最低點高程為288 m,最高點高程為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。從垂向上來看,層狀結構不明顯,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,表層雜亂無章,推斷為地下采空區塌陷所引起的地表結構改變。 P4-82 ～P4-112 點間的高阻異常,推斷為山體裂隙。表層為電阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻區,推斷為奧陶系灰巖;電阻率值≥1 000 Ω·m的高阻部位推斷為侵入的閃長巖體。從剖面水平方向來看,P4 剖面在P4-65 ～P4-110 下方(高程280 ～330 m之間)有一個低、高阻相間的條帶狀異常,推斷該異常由采空區引起,其中低阻異常位于山底,高阻異常位于山頂。低阻異常為采空區積水所致,而高阻異常是山頂部位巖石因采空塌陷導致巖體破碎,產生的大量裂隙所致。在P4-60 下方,一條帶狀低阻異常被斷為兩段,認為該處是由于采空區塌陷導致淺部地質結構變化所引起,推斷該處為采空區左側影響邊界;在P4-115 點下方,存在一個電阻率兩側差異明顯的梯度帶,推斷該處為采空區的右側影響邊界。

圖3 P4 剖面反演解釋成果

(2)P7 剖面解釋

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

圖4 為P7 剖面反演成果。從垂向來看,該剖面具有明顯的兩層結構,而水平方向分區不明顯。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 點間地表出現的高阻異常是工區內的臨時道路所致,由于道路被碎石填充壓實,導致表層電阻率增高。剖面中、下部為電阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻區域,推斷為奧陶系灰巖。縱觀P7 視電阻率剖面和反演電阻率剖面,其電阻率形態規則、完整,無明顯采空區異常特征。

(3)P9 剖面解釋

P9 剖面長900 m,方位角為NE158.5°。該剖面最低點高程為302 m,最高點高程為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,推斷為奧陶系灰巖。電阻率值≥1 000 Ω·m 的高阻區推斷為侵入的閃長巖體。

圖4 P7 剖面反演解釋成果

圖5 P9 剖面反演解釋成果

從水平方向來看,剖面按異常特征可劃分為兩個部分,第一部分位于P9-1 ～P9-110 間,電阻率值≥1 000 Ω·m,推斷為侵入的閃長巖體。第二部分從P9-110 到該剖面結束,電阻率值≤1 000 Ω·m,推斷為奧陶系灰巖。 P9-110 下方為陡立密集的異常梯度帶,推斷該處為閃長巖的侵入邊界。在點P9-30 ～P9-96 之間,存在一個條帶狀高阻異常帶,電阻率值≥5 000 Ω·m,推斷該異常由采空區引起。采空區左側邊界有一近似呈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),推斷該處為采空區在地表的左側影響邊界。在右側同樣存在一個異常梯度帶,延伸至地表P9-115 點處,推斷該處為采空區在地表的右側影響邊界。

6.2 水平剖面解譯

圖6 為推斷采空區水平切片示意。由圖6 可知,采空區上下跨度較大,與礦體產狀陡傾關系較大,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 綜合地質解釋及驗證

圖6 采空區水平切片解釋成果

基于上述各剖面的地質解釋結果及各層切片解釋結果,將其投影到測區地表,結合已掌握的地質資料,做如下推斷解釋:測區內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。勘察區中部有采空區,推斷采空區地表投影位置及范圍如圖7 所示。