綜合物探在石城崮鐵礦采空區勘查中的應用

李希樂

山東省地質測繪院，山東 濟南 250002

0 引言

多年來，我國一些礦山開采一度出現粗放式現象，在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區，對周圍的人民生命財產安全帶來較大的安全隱患。當前國家對環境治理問題愈加重視，提出了“綠水青山就是金山銀山“口號。在這種形勢下，我院在山東省蘭陵縣石城崮鐵礦開展的采空區勘查治理項目，采用地面磁法及瞬變電磁法的綜合物探方法對采空區進行前期勘查，取得了較好的效果。

1 勘查區地質及水文地質特征

1.1 勘查區地質特征

勘查區位于山東省蘭陵縣，為一處鐵礦采空區。治理區地層由老到新主要為新太古界泰山巖群山草峪組，新元古界二青山組。太古界泰山巖群山草峪組是(鞍山式)鐵礦的賦存層位。第四系僅分布于山前平地及溝谷兩側。

勘查區構造形式可分為基底構造和蓋層構造兩種。基底泰山巖群變質地層經過強烈的變質變形作用形成了一系列緊密的復式褶皺。蓋層總體為一單斜構造，斷裂構造位于采空區西端，為高角度正斷層。

區內巖漿巖不甚發育，僅有少量角閃閃長玢巖侵位于泰山巖群山草峪組或土門群二青山組中，厚度小，均在幾米之內。

1.2 勘查區水文地質特征

勘查區地處低山丘陵區，地形起伏較大，礦體賦存于+122 m標高以下，礦區及周圍最低侵蝕基準面標高為110 m，大部分礦體位于侵蝕基準面之下。勘查區含水巖組劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、基巖裂隙含水巖組兩種類型。礦區水文地質條件簡單，且礦山已停產多年，礦區地下水位線基本處于穩定狀態。

2 鐵礦礦體特征

治理區鐵礦體賦存于泰山群山草峪組變質地層中，為隱伏礦體，上覆蓋層為青白口系沉積地層。礦體頂底板圍巖為黑云變粒巖或黑云角閃片巖。礦體賦存于+140～+122 m標高以下，礦體埋深30～95 m。治理區內有1個鐵礦體，礦體呈層狀、似層狀，其產狀與地層產狀基本一致。礦體沿走向或傾向呈舒緩波狀延展，具膨脹狹縮和分枝復合的特點。

礦體總體走向87°左右，傾向南，傾角75°。治理區礦體長度約270 m，厚度1.80～4.39 m，平均厚度2.77 m，厚度變化系數18.89%，厚度變化穩定。該礦體已部分采空，采空區平均水平厚度為4.37 m(1)呂治水,李兆芝,朱文豐,等.蘭陵縣華榮礦業有限公司石城崮鐵礦采空區治理(地下)工程竣工報告[R],2018：3-5.。

3 勘查區地質物理特征

勘查區內各類巖石磁性參數見表1。由表可知，區內鐵礦石磁性最強，變質巖系次之，它們與沉積蓋層有著明顯的磁性差異(2)張 旭，梁棟彬.山東省蒼山縣木山礦區石城崮礦段鐵礦普查報告[R],2006:18-22.。本次磁測工作的基礎主要是利用殘余鐵礦磁異常尋找鐵礦采空區。

表1 巖(礦)石磁性參數統計表Table 1 Statistical table of magnetic parameters of rock (ore)

基于以上巖石磁性差異，采取了高精度磁測的工作方法。另外，由于勘查區內采空區位于水位線以下且有豎井連通，采空區被地下水充填，區內采空區相對圍巖表現為低電阻率。綜上所述，該鐵礦采空區具備了采用高精度磁測與瞬變電磁工作進行勘查的地球物理基礎[1]。

4 采用的物探工作方法

4.1 高精度磁測

采用加拿大生產的GSM-19T型質子磁力儀，探頭距地表高度為2 m，控制總誤差為不大于5 nT。共布置磁測剖面17條，點距5 m，線距20 m。

圖1 工程布置圖Fig.1 Project layout

測線方向為南北向，自西向東依次編號為11～27號線，每米點號增量為1，南端最小點號為100號，北端最大點號為340號。

4.2 瞬變電磁法

本次TEM工作采用北京驕鵬科技公司生產的E60T型瞬變電磁儀。據實際地形情況、工作需要和試驗性探測的結果，本次TEM裝置采用大定源裝置，發射線框為400 m×400 m，接收回線邊長為70 cm的多匝線圈，有效面積為16 m2。發射信號為階躍正反方波，供電脈沖為10 ms，供電電流10 A左右，接收信號疊加次數為16次。每個物理點重復測量3次，所得數據取平均值。

共布置瞬變電磁剖面17條，線距20 m，方向南北，線號自西向東依次編號為L11～L27號線線距20 m；點距10 m(采空區附近加密為5 m)，每米點號增量為1，南端最小點號為100，北端最大點號為250號。

5 資料解釋推斷

5.1 高精度磁測

由于鐵礦開采會有鐵礦體殘余而無法完全采出，故鐵礦采空區多會產生一定的磁異常。在這種基礎上，我們采用了高精度磁測對采空區進行了探測[2-10]。磁異常圖如圖2所示。

圖2 磁測推斷解釋圖Fig.2 Deduction and interpretation of magnetic measurement

由圖2中可見，勘查區內存在明顯的正負伴生異常，呈東西向條帶狀分布。勘查區北部為負異常，南部為正異常，異常形態為南緩北陡。正異常極大值378 nT，負異常極大值-1 078 nT。由此可推斷磁性體南傾，與地質資料吻合度較好。推斷采空區的邊界如圖2所示。

5.2 瞬變電磁法

為對采空區進行進一步的研究控制，開展了瞬變電磁工作。其推斷解釋情況如圖3、圖4所示。

圖3 L19線視電阻率斷面圖(瞬變電磁)Fig.3 Apparent resistivity section of Line L19 (TEM)

圖4 L22線視電阻率斷面圖(瞬變電磁)Fig.4 Apparent resistivity section of Line L22

如圖3所示，該測線視電阻率總體表現為由淺到深逐漸增加的特征。在140～180號點，深度-110～-140 m存在明顯的低阻異常，低阻異常視電阻率為40～200 Ω·m，背景視電阻率為220～580 Ω·m，推斷該低阻異常為鐵礦采空區的反映。

如圖4所示，該測線視電阻率總體表現為由淺到深逐漸增加的特征。在155～190號點，深度-150～-170 m存在明顯的低阻異常，低阻異常視電阻率為40～180 Ω·m，背景視電阻率為200～400 Ω·m。推斷該低阻異常為鐵礦采空區的反映。

5.3 綜合推斷

瞬變電磁二次場在高阻層衰減快，低阻層衰減慢，因而能夠有效地反映充填有地下水的采空區等低阻異常區，結合高精度磁測及地質資料，總結出勘查區內鐵礦采空區主要表現為“高磁低阻”的異常特征[11-16]。根據這一特征，以19號剖面為例對勘查區內的鐵礦采空區范圍進行了初步推斷，推斷成果如圖5所示。初步推斷采空區總體呈近東西向分布，東西長約180 m，南北寬約50 m。由高精度磁測初步推斷，鐵礦體(鐵礦采空區)略向南傾；由瞬變電磁測量初步推斷，采空區埋深約-120 m。據此布設了鉆孔ZK1，設計深度130 m。

圖5 L19剖面磁電綜合圖Fig.5 Integrated magnetoelectric diagram of section L19

5.4 鉆探驗證

物探資料解釋工作完成后，項目部在此基礎上組織了鉆探驗證工作。鉆孔如圖5所示，定于L19線180點附近，鉆孔設計為直孔，設計深度130 m。

后鉆探鉆至深度104.3 m見采空區，掉鉆至117.5 m，采空區縱向尺度13.2 m，與推斷結果基本吻合。

6 結語

本次鐵礦采空區勘查工作，通過采用高精度磁測與瞬變電磁相結合的方法，對采空區的空間位置進行了較準確的推斷，經鉆探施工，成功打到了預定的鐵礦采空區，為后續采空區注漿充填工作打下了堅實的基礎。

(1)鐵礦采空區一般存在一定的殘余礦體并會引起一定的磁異常，因此采用高精度磁測能夠較有效地解決鐵礦采空區的范圍及傾向問題。

(2)采空區與圍巖存在一定電性差異，瞬變電磁能夠較有效地解決鐵礦采空區的范圍及深度問題。

(3)采用高精度磁測及瞬變電磁的綜合物探方法對于鐵礦采空區的勘查有著較好的效果。兩種方法相互結合驗證，能夠減少物探多解性，提高物探資料解譯的可靠性，對于同類采空區的勘查有著一定的指導意義。