大地電磁法用于礦區巖溶塌陷區的探測與預知

尹維民

（山東省物化探勘查院，山東濟南 250013）

近年來，隨著我國科學技術取得的長足發展，微電子技術的技術更新升級也是日新月異，人們開始逐漸關注大地電磁法在社會生產生活中的實際應用和價值效益。特別是在國家地質勘查和礦產開采過程中，利用高密度電阻率法和淺層地震多道瞬態面波法相結合的綜合檢測技術得到越來越廣泛的推廣應用。在與傳統檢測方法得到的檢測結果進行對比驗證，最終得到應用大地電磁法（AMT）和高密度電阻率法相結合的綜合檢測技術對礦區巖溶塌陷區的檢測更加準確，更加高效。

1 礦區巖溶塌陷區地質環境分析

1.1 水文地質條件

較多種類礦區范圍內地下水類型分為上層滯水和潛水。區間下穿大營坡批發市場段地下穩定水位埋深約3.7～6.2m，位于礦洞拱頂以上9.6～11.7m。礦區水文地質條件較為復雜，地層賦水性差異較大，巖溶地區地下水受構造節理裂隙、巖溶洞（隙）及管道控制，分布不均勻，規律性差的特點，對礦區安全生產影響較大。

1.2 其他不良地質狀況

根據先期礦區地質環境詳勘報告分析，礦區內部主要存在的不良地質結構主要有巖溶和穿越斷層。

（1）區間范圍地層褶皺強烈，斷裂復雜，巖溶地貌面起伏平緩，巖溶地質條件甚為復雜，礦井內部白云巖、灰巖廣泛分布，現狀地表為植被及既有路面及建（構）筑物，地表巖溶形態主要表現為巖層表面發育溶孔、溶隙、溶洞。地下巖溶形態主要以溶洞、溶溝（槽）、溶蝕裂隙為主，巖體內主要為溶孔、垂直溶洞（隙）、溶蝕破碎帶，發育形態呈單個狀或巖溶管道。溶洞被粘土或角礫充填，呈全或半充填狀態，局部為空洞。本區間勘察取孔58處，經鉆探揭露，遇溶洞（隙）鉆孔17個，遇溶洞率29.3%，為巖溶強發育區[1]。

（2）區間穿越兩條斷層，斷層兩側巖體表現一般呈現破碎狀，巖溶較發育，均具有富水性。我國礦區開發中常用的巖溶塌陷區探測方法及實際應用如表1所示。

表1 巖溶塌陷區不同探測方法及應用

2 大地電磁法（AMT）瞬變電磁工作原理

高密度電阻率法是以電剖面法和電測深法為基礎的一種陣列勘探方法，是通過檢測地下介質傳導直流電流的能力的差異來反演地下介質的物探新方法[2]。通過軟件控制一條電纜上的布置的多個電極（幾十至上百），使其組成多個垂向測深點或不同深度下多個電測剖面，可實現多種電極排列組合方式，并能夠實現自動化[3]。探測數據通過軟件處理后，可以自動生成圖像，綜合分析便可以得知地層剖面的詳盡地質信息，大地電磁法（AMT）瞬變電磁充放電時間特性如圖1 所示。

3 礦區巖溶塌陷區域勘探處理

3.1 洞內超前探測

當地面不具備處理條件時，可采用礦區內部探測來實現，對溶洞前方地質進行超前預報，先可以采用HSP 系統[4]，該系統以滾刀破巖震動作為震源進行探測，結合前期詳勘、補勘地質資料，對溶洞前方巖層整體性和含水性進行實時探測與評價。根據區間左右線洞內超前探測及對比驗證情況分析，采用HSP 超前地質預報系統基本與地面專項巖溶勘察作業成果相互吻合，證實了HPS法準確有效。

3.2 大地電磁法（AMT）瞬變電磁技術運用

（1）通過電阻率測試建立礦區的地層巖土體模型。電阻率數值從大到小依次為白云巖＞灰巖＞石英砂巖＞砂礫層＞玄武巖＞粘土＞砂質粘土，體現出各類巖土體電性差異明顯[5]。

（2）利用大地電磁測深開展礦區地質剖面探測。判識出方向走向的活動斷裂，及時圈定拉裂槽以及巖溶斷陷區，基本可以查明礦區巖溶塌陷區域的空間電性特征。推測結果將會表明，礦區巖層結構從地表到深部依次為砂質粘土層—砂礫層—溶蝕(破碎)灰巖—完整基巖(灰巖)層四層，滑坡區段主要為溶蝕(破碎)灰巖—完整灰巖兩層。

（3）確定了礦區巖溶區域的結構特征。得出溶蝕(破碎)灰巖層與完整基巖(灰巖)層的界面是否為主滑動面，滑面平均埋深的長度范圍，便可計算出巖溶體積等參數[6]，礦區所含各類礦石電性參數如表2所示。

表2 各類礦區礦石電性參數

3.3 大地電磁法（AMT）礦區工作布置及工作參數

使用大功率多功能電磁法系統，采用TM 標量測量方式，場源為電性源，在平行于場源中垂線兩邊張角各30°的扇形區域內的遠區逐點觀測電場分量EX和與之正交的水平磁場分量HY振幅和相位，進而計算卡尼亞視電阻率和阻抗相位。工作技術參數：工作頻率0.25～8192Hz，收發距大于10km，供電電流大于12A，勘探深度大于1500m。視電阻率均方相對誤差Mρs小于±3.89%，相位均方誤差εφ小于±16mrad[7]。

3.4 礦區超前鉆注處理重難點

（1）超前地質鉆機安裝在管片安裝機上，與管片安裝機管片抓舉頭相對保持180°位置，首先底座加工與安裝，底座鋼板為70mm 厚，焊接在安裝機上，焊接過程中要間斷焊接，控制焊接件溫度，防止損傷到安裝機回轉軸承塑料保持架。

（2）提前根據圖紙確定預留管道角度，鉆機鉆進前把鉆機角度調整與預留管匹配對孔，同時鉆進過程中關注參數變化和異響，保證角度正確。避免鉆機角度和盾構機預留管道角度不匹配，會造成鉆桿損傷，鉆孔失敗。

（3）鉆機鉆進時，嚴格控制鉆進參數，鉆桿鉆進要經常反復回拉鉆桿，保證鉆孔有足夠的擴挖量，對排渣球閥的出渣進行收集分析，進而確定地質情況，如巖溶和不良發育地層等。

3.5 礦區超前鉆注處理實施

（1）為保證作業空間和作業安全，根據超前鉆機的尺寸和鉆進一根拆卸安裝時需要的場地，油缸行程1500～1800mm 時停機。中盾、盾尾注入膨潤土，避免長時間停機抱盾體情況。

（2）先安裝鉆機角度調整基座，基座安裝后，通過10t 手拉葫蘆把鉆機安裝在基座上。鉆機安裝完成后進行對控制柜調試，檢查電路、液壓系統、注漿系統等是否正常。

（3）根據鉆進過程中揭示地質情況，主要通過鉆進過程中扭矩等變化情況，同時輔助渣樣分析判定鉆進地質情況，當施工鉆進扭矩變小同時鉆進過程中渣土為黃泥漿時，判定施工鉆進段為巖溶破碎區（溶洞）。

（4）初始鉆孔深度2～4m后，暫停鉆進。進入注漿狀態，沖洗球閥切換至注漿，在已經完成的鉆孔深度范圍內預注膨潤土，填充盾體與地層之間的縫隙。完成膨潤土填注后，沖洗球閥切換回沖洗狀態，繼續超前鉆孔，直至達到計劃孔深，沖洗球閥切換至注漿，注漿的同時鉆機緩慢正向旋轉，并在鉆機的整個行程范圍內做進、退往復運動。

（5）注漿漿液主要采用水泥漿及雙液漿。注漿過程中主司機關注土倉壓力變化，當發現土倉壓力持續隨著注漿增長，需要停止注漿，同時攪動刀盤，防止漿液在刀具周邊凝固，最后造成糊刀及刀具偏磨可能情況。

3.6 超前鉆注處理效果驗證

注漿完成4～5h后，重新針對已進行注漿加固孔進行鉆孔檢查，主要通過鉆進過程中扭矩及渣樣進行分析注漿加固效果，鉆孔2～4m主要是充填膨潤土，因此鉆進速度較快，渣樣主要為膨潤土泥漿，根據鉆進該孔鉆進記錄情況，鉆進破碎段（溶洞）顯示出渣為中風化白云巖以及水泥塊證明加固效果良好。針對礦區巖溶區加固段復推后做好參數記錄，通過掘進推力、扭矩、速度等主要參數指標及時與巖溶破損段（溶洞）施工參數進行對比分析并反饋。

4 結論

綜上所述，大地電磁法（AMT）采用大電流供電，極大地提高信噪比，增強分辨率，增大礦區勘探深度，是當前采礦工程及地熱勘探首選的物探方法，可快速準確查明斷裂構造的產狀、延深情況及地層電性結構分布情況，反映礦產埋深和厚度，為地下礦產資源的開發起到較好的指導作用，同時也可以為資源勘探的礦政管理提供科學依據。