綜合物探方法在鐵礦塌陷區(qū)的應(yīng)用研究

劉華瑄，劉雪元

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量持續(xù)增加，而我國的主要礦產(chǎn)富集區(qū)少有露天礦，基本以地下礦山開采為主。由于回填不充分、支護(hù)不及時等原因，地下礦山開采容易導(dǎo)致地面塌陷，這也成為備受關(guān)注的礦山地質(zhì)災(zāi)害，地面塌陷對礦山安全生產(chǎn)和周邊居民生產(chǎn)生活造成的危害具有突發(fā)性，造成的危害性和社會影響都比較大。

目前針對地面塌陷的預(yù)測主要以物探方法為主，輔以鉆探方法驗證。目前許多學(xué)者開展了基于物探方法的塌陷區(qū)塌前預(yù)測和塌后評估的研究，取得了很多具有指導(dǎo)意義的成果。童力元等對采空區(qū)探測方法、穩(wěn)定性評價和質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)在國內(nèi)外的研究進(jìn)展情況做了詳細(xì)調(diào)研，并提出了進(jìn)一步的研究方向；吳成平等對采空區(qū)探測的地球物理方法進(jìn)行了詳細(xì)分類和介紹。王超凡等利用地震CT對金屬礦采空區(qū)進(jìn)行探測，探測結(jié)果揭示了采空區(qū)和破碎帶，并在后期鉆孔中得到了準(zhǔn)確驗證。張開元等采用瞬變電磁法探測煤礦采空區(qū)，該方法分辨率較高，能快速獲得中、深部地層的電性結(jié)果，預(yù)測效果顯著。黃建權(quán)等采用高密度電法的單邊三級測深裝置對石膏礦采空區(qū)分布范圍和埋藏深度進(jìn)行探測分析，效果顯著。

由于受場地實際環(huán)境的影響，單一物探方法具有一定的局限性，數(shù)據(jù)成果很難全面的反演塌陷區(qū)域的完整地質(zhì)情況，對塌陷區(qū)的實際探測仍然存在一定的不足，因此，現(xiàn)在越來越傾向于通過多種物探方法進(jìn)行綜合研究。鄭智杰等通過地震、微動和高密度電法等多種物探方法對巖溶滲漏帶進(jìn)行調(diào)查，采用多種方法，取長補(bǔ)短可以有效地解決場地復(fù)雜性帶來的影響。楊天春等等結(jié)合高密度電阻率法、瞬變電磁法和天然電場選頻法對生產(chǎn)型礦山的巖溶災(zāi)害進(jìn)行勘查，該方法的綜合運用對于南方同類型礦山具有很好的指導(dǎo)意義。曹朋軍、彭青陽、吳燦燦等都基于綜合物探方法對裂隙、塌陷等進(jìn)行研究，均取得了很好的應(yīng)用成果。

本文通過對某鐵礦突發(fā)產(chǎn)生的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展工作，采用多種物探方法在塌陷區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，對產(chǎn)生塌陷的成因進(jìn)行綜合分析，找出塌陷產(chǎn)生的主要原因，為礦山的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，也為同區(qū)域其他礦山的地面塌陷預(yù)防提供一定的參考。

1 項目概況

在國家的發(fā)展建設(shè)過程中,礦產(chǎn)資源的利用是重要的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的礦產(chǎn)資源之一。面對我國地大物博的地理現(xiàn)狀在進(jìn)行礦產(chǎn)資源的開采冶煉的過程中往往存在著大量的困難。由于在我國最初發(fā)展過程中開采技術(shù)的落后以及對地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)措施做的不到位,往往造成了大量的采礦區(qū)出現(xiàn)采空后無人治理的局面。這種局面所導(dǎo)致的直接結(jié)果就是采礦的當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)大面積的土地下沉不僅給自然生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞還為人類的生產(chǎn)生活等帶來了威脅。所以對于這些特殊地理位置的出現(xiàn),必須進(jìn)行合理的探測以及管理,然后通過現(xiàn)有可以解決的技術(shù)措施改善這種問題的出現(xiàn)狀況。在進(jìn)行探測的過程中綜合物探方法對于鐵礦采空區(qū)的探測具有較高的實用性以及實踐價值。以下將分析綜合物探方法在鐵礦采空區(qū)物探探測中的應(yīng)用。

該礦山位于安徽省某國家級鐵礦整裝勘查區(qū)內(nèi)，礦山在停產(chǎn)修整期間先后發(fā)生多起塌陷，最大一處塌陷區(qū)面積約有4.5萬m2，最大下沉深度達(dá)到0.5m，并伴有充水，塌陷造成周邊居民的一些房屋發(fā)生下沉變形無法居住，在當(dāng)?shù)卦斐珊艽蟮纳鐣绊懀胤秸叨汝P(guān)注此突發(fā)事件。

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

根據(jù)收集的地質(zhì)資料，該礦山位于低海拔丘陵地區(qū)，地勢西南高，東北低，最高標(biāo)高55.3m，最低標(biāo)高40.6m，相對高差14.7m。地表第四系屬于河湖相沉積地層，棕紅色、黃褐色，砂性土發(fā)育良好，為孔隙水的賦存提供了良好空間。第四系和新近系之下為變質(zhì)巖類巖石，裂隙不發(fā)育，含水較貧乏。風(fēng)化帶處裂隙發(fā)育，含有較豐富的風(fēng)化裂隙水。

下伏地層主要為新太古界霍邱群吳集組（Ar4W）、侏羅系上統(tǒng)毛坦廠組（J3m），地層從老到新分述如下：新太古界霍邱群吳集組（Ar4W）為礦區(qū)主要地層，也是礦區(qū)的含礦巖系，巖石系列為黑云斜長片麻巖（變粒巖）～云母片巖，原巖構(gòu)造為雜砂巖～硅鐵質(zhì)巖，可分為上下兩個巖段：①下巖段（Ar4W1）：厚215m～365m。主要巖性有黑云斜長片麻巖、角閃黑云斜長片麻巖，夾斜長角閃巖，部分遭受混合巖化，形成條痕～條紋狀混合巖。下部在代店背斜附近有均質(zhì)混合巖和混合花崗巖，可能是下伏巖層構(gòu)造侵蝕產(chǎn)生的現(xiàn)象；②上巖段（Ar4W2）：下部為角閃黑云斜長變粒巖、石榴黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖，夾角閃石英磁鐵礦石。厚度15m～150m。上部為黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、斜長二云片巖、黑云條痕～陰影狀混合巖，頂部夾角閃石英磁鐵礦石。厚度70m～125m。該段底部已具有明顯的海相沉積標(biāo)志，如普遍含有十字石、藍(lán)晶石云母片巖以及方解石、白云石大理巖的透鏡體等。

侏羅系上統(tǒng)毛坦廠組（J3m），局部分布于礦區(qū)的南東部，下部主要巖性有棕紫色、灰綠色石英長石細(xì)砂巖，夾泥質(zhì)條帶粉砂巖、泥頁巖、含礫粗砂巖，交錯層理發(fā)育。上部為褐色玄武安山巖，橄欖玄武安山巖、玄武安山質(zhì)凝灰角礫巖，局部呈互相交錯狀產(chǎn)出。

新近系（N）：根據(jù)礦區(qū)相關(guān)鉆孔的編錄資料顯示，在吳集組變質(zhì)巖上部與淺部第四系的土層之間有一層泥灰?guī)r和砂礫層，呈膠結(jié)松散狀。

1.2 地球物理特征

根據(jù)該礦區(qū)以往的物探資料，第四系覆蓋層視電阻率為低根據(jù)該礦山所在區(qū)域以往的物探地質(zhì)資料顯示，第四系覆蓋層視電阻率為低阻，表現(xiàn)為低電性值；下伏基巖整體呈高阻，表現(xiàn)為高電性值，與第四系覆蓋層有明顯的電性差異。不同巖性的基巖之間也存在一定的電性差異。完整的基巖電阻率較高，但在構(gòu)造或基巖裂隙和破碎帶處，為相對低阻表現(xiàn)，由于破碎或兩側(cè)巖性錯位也會反映出明顯的電性差異。

綜上，根據(jù)現(xiàn)場塌陷的實際情況，本區(qū)具備選用高密度電阻率法、瞬變電磁法的地球物理勘察條件，即采用這兩種方法進(jìn)行綜合探測，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行反演，以便解釋地面塌陷形成的原因。

2 物探工作方法技術(shù)

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法的工作方法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激化引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場（按指數(shù)規(guī)律衰減），二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以分析判斷出地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等特征。本次測量儀器采用ATEM-Ⅲ型瞬變電磁系統(tǒng)。

2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，通過電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ的分布密切相關(guān)。通過對地表不同部位人工電場的測量，了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法原理清晰，圖像直觀，是一種分辨率較高的物探方法。本次高密度電阻率法測量采用常規(guī)的溫納裝置，即AM=MN=NB。本次測量儀器采用GD-10型直流電法測量系統(tǒng)。

2.3 測線布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場塌陷區(qū)的位置，結(jié)合礦山地質(zhì)水文等資料，對物探測線進(jìn)行設(shè)計，以保證探測結(jié)果的全面性和合理性。瞬變電磁法，共布置平行剖面8條，方位角32°，線距50m，點距5m。高密度電阻率法，共布置剖面7條，點距均為10m，其中北西西向剖面2條分別為20線、40線，方位角108°；北東向剖面5條，方位角49°，分別為10線、30線、50線、70線、90線，線距不固定，在滿足設(shè)計要求的前提下，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行布設(shè)。

3 物探資料分析解釋

3.1 瞬變電磁法物探資料解釋

為了增強(qiáng)對本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造展布特征、地層巖性分布格架的整體認(rèn)識，將測區(qū)內(nèi)所有瞬變電磁法的反演結(jié)果剖面分別按照-50m、-100m、-150m、-200m、-250m、-300m的深度進(jìn)行劃分，繪制出不同高程下的反演視電阻率平面等值線圖，進(jìn)行不同深度平面的綜合解譯。

由于切片中可以更形象、清晰地識別出本區(qū)域地層巖性分布格架，因此同時繪制瞬變電磁法各剖面Y-Z垂直方向的電阻率切片和不同高程X-Y水平方向的電阻率切片，從切片中可以看出，整個測區(qū)的電性特征都清晰顯示，淺部主要為低阻，深部為高阻，整體表現(xiàn)為由淺至深，電阻率依次遞增的變化趨勢；水平方向電阻率對構(gòu)造異常分辨率較高，塌陷區(qū)中心低阻異常不明顯，依據(jù)異常形態(tài)及規(guī)模，劃定出測區(qū)內(nèi)有5處低阻異常區(qū)，其中主要低阻異常區(qū)，標(biāo)定為YC-1、YC-2、YC-3，其在塌陷區(qū)的外圍分布；兩處規(guī)模較小的低阻異常區(qū)，標(biāo)定為YC-4、YC-5。主要低阻異常區(qū)YC-1、YC-2、YC-3在不同高程平面內(nèi)展布清晰，形態(tài)隨高程的變化產(chǎn)生一定的形態(tài)變動，說明這三個低阻異常區(qū)可能與塌陷區(qū)的形成有一定關(guān)系。

3.2 高密度電法物探資料解釋

高密度電阻率法的測線布設(shè)方向不同，北西西向120線、140線以塌陷區(qū)為中心，是沿著塌陷區(qū)內(nèi)部的道路兩側(cè)布置的長剖面。

對120線、140線的高密度電阻率法的反演結(jié)果分析，斷面在垂向方向上由淺到深，視電阻率值為由低到高的變化趨勢。在淺部0m～65m深度左右（高程45m～-20m）范圍內(nèi)，視電阻率值為10Ω·m～12Ω·m，淺部視電阻率值較小，根據(jù)地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為第四系覆蓋層（Q）的反映；中部65m～100m深度左右（高程20m～-55m）范圍內(nèi)，視電阻率值為12Ω·m～14Ω·m，根據(jù)地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為新近系（N）泥灰?guī)r加砂礫層的綜合反映；深部100m以下的地層視電阻率值為14Ω·m～30Ω·m，根據(jù)地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為新太古界（Ar4W）變質(zhì)巖系的反映。整個斷面在大號點方向上覆蓋層有增厚的趨勢。斷面在水平方向上電性連續(xù)，沒有明顯的低阻構(gòu)造異常出現(xiàn)，特別是在塌陷區(qū)中心位置層位穩(wěn)定，說明引起塌陷的位置不在120線、140線控制的范圍內(nèi)。

對北東向的10線、30線、50線、70線、90線的高密度電阻率法的反演結(jié)果分析，5條剖面的視電阻率斷面等值線的形態(tài)在垂直方向和水平方向上與北西西向剖面120線、140線相差較大。10線的視電阻率斷面在水平方向上整體電性連續(xù)，沒有明顯的低阻構(gòu)造異常出現(xiàn)。

30線的視電阻率斷面異常主要出現(xiàn)在350號點～400號點，自350號點向400號點低阻異常深度逐漸加大，400號點的低阻異常深度到達(dá)-110m高程位置處向下未閉合，說明向下延深較大。在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-3號異常相對應(yīng)。

50線的視電阻率斷面異常主要出現(xiàn)在350號點～500號點、570號點～750號點兩處，350號點～500號點的低阻異常主要在-50m高程的淺部，在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)。570號點～750號點自570號點向750號點異常深度逐漸加大，700號點～750號點的低阻異常深度到達(dá)-150m高程位置處向下未閉合，說明向下延深較大。在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

70線的視電阻率斷面異常主要出現(xiàn)在350號點～500號點、600號點～750號點兩處，350號點～500號點的低阻異常向深部規(guī)模逐漸減小，以450號點為中心的深部低阻異常延深到-150m高程，向下仍未有閉合趨勢，說明向下延深較大，在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)。600號點～750號點的低阻異常比50線的規(guī)模小，分為兩個異常組合，600號點～650號點的異常自650號點向600號點深度逐漸加大，低阻異常深度到達(dá)-200m高程位置向下未閉合，說明向下延深較大。700號點～750號點的低阻異常深度基本到達(dá)-150m高程位置，沒有繼續(xù)向下延深。這兩個異常組合在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

90線的視電阻率斷面異常主要出現(xiàn)在120號點～250號點、300號點～400號點兩處，120號點～250號點的低阻異常受剖面長度的控制，主要在-50m高程的淺部，但低阻異常向深部未閉合，在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-1號異常相對應(yīng)。300號點～400號點低阻異常深度主要在-80m高程位置，但在360號點～370號點的深部-110m高程位置出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，說明向下延深較大。在平面位置上與瞬變電磁法解釋推測的YC-2號異常相對應(yīng)。

3.3 綜合解釋

物探測線布設(shè)以塌陷沉降區(qū)為中心，投入瞬變電磁法和高密度電阻率法2種物探方法，共圈定出3處主要低阻異常區(qū)：YC-1、YC-2、YC-3；2處規(guī)模較小的低阻異常 ：YC-4、YC-5。

YC-1低阻異常區(qū)位于塌陷沉降區(qū)的南西側(cè)，呈北西向的帶狀分布，隨深度增加異常范圍逐漸減小，最大深度延深至-200m高程處。結(jié)合地質(zhì)資料，YC-1低阻異常與磁鐵礦帶的平面位置基本吻合，解釋推測YC-1低阻異常為基巖裂隙發(fā)育和磁鐵礦體的綜合異常反映。

YC-2低阻異常區(qū)位于塌陷沉降區(qū)的北東側(cè)，呈北西向的橢圓狀分布，隨深度增加異常范圍逐漸減小，最大深度延深至-200m高程。結(jié)合地質(zhì)資料，YC-2低阻異常區(qū)不在磁鐵成礦帶范圍，該區(qū)附近沒有采礦巷道通過，解釋推測YC-2低阻異常為下伏新太古界變質(zhì)巖的基巖面凹槽，由于上覆第四系和新近系覆蓋層的厚度增大富含地下水所引起的異常。

YC-3低阻異常區(qū)位于塌陷區(qū)的北部，在廠區(qū)的南側(cè)，異常形態(tài)受剖面限制不完整，主要異常深度在-50m高程位置，-100m高程深度處的異常規(guī)模較小，解釋推測該異常可能為第四系和新近系覆蓋層及古風(fēng)化殼中富含地下水的異常反映。

YC-4、YC-5低阻異常規(guī)模較小，主要異常深度在-50m高程位置，該異常基本為第四系和新近系覆蓋層富含地下水的異常反映。

根據(jù)礦山地質(zhì)和生產(chǎn)資料，由于穿過鐵礦脈處的地下水量較大，長期抽排泥沙混合水。結(jié)合本次物探工作發(fā)現(xiàn)的YC-1低阻異常區(qū)的位置位于礦區(qū)相關(guān)鉆孔的附近，初步解釋推測基巖含礦帶及夾層內(nèi)傾角很陡的裂隙和鉆孔基巖接觸帶未封閉形成了地下水流動通道，加之礦山生產(chǎn)過程中的長期巷道排水，造成了第四系、新近系砂層、泥灰?guī)r與基巖風(fēng)化帶處含水層中的砂、土顆粒流失，局部地段可能形成土洞、空洞，隨著時間的推移，土洞、空洞的規(guī)模越來越大，在達(dá)到其臨界值、或由于外部的爆破震動及大氣降水等因素的綜合影響，形成了突發(fā)的塌陷沉降區(qū)。

4 結(jié)論

本次采用瞬變電磁法和高密度電阻率法兩種物探方法對鐵礦塌陷區(qū)進(jìn)行綜合勘查，這兩種方法的勘查成果互相比較和補(bǔ)充，綜合判斷解釋，有效地避免了物探解譯過程中的的多解性。圈定了塌陷區(qū)范圍，并對塌陷成因進(jìn)行了定性分析。

礦產(chǎn)資源的有效利用能夠為國家的發(fā)展帶來動力,但是在大量礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中我們不得不面對的一項嚴(yán)峻的問題就是開采之后的環(huán)境管理以及建設(shè)。所以通過綜合物探發(fā)的使用對鐵礦采空區(qū)進(jìn)行及時的探測以及發(fā)掘能夠從根本上及時的找到采空區(qū)位置的存在并通過正確的管理辦法對該位置進(jìn)行處理減少不必要的人員傷亡以及財產(chǎn)損失。

生產(chǎn)礦山干擾因素多，單一的物探方法難以達(dá)到預(yù)期的勘探效果。各個地方又具有其特殊性，根據(jù)具體情況，將各種物探方法靈活地應(yīng)用到實際工作中去，減小各種干擾因素的影響，實現(xiàn)各種方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高工作的效率和經(jīng)濟(jì)性。