矽卡岩型铁矿采空区电法勘探应用

2019-10-28郑瑞钊

铁道勘察 2019年5期

郑瑞钊

(锦州铁道勘察设计院有限公司,辽宁锦州 121000)

1 概述

目前,常用于采空区勘察的地球物理方法有:重力法、瞬变电磁法、直流电流法、地震反射波法等。铁矿采空区因其自身特点(易产生电磁干扰),历来是物探工作的难点。季凇达曾利用重力法和电磁法的综合物探手段[6],准确测定了某铁矿采空区的分布情况。张文雨等以秦皇岛某铁矿的物探勘察为例,介绍了瞬变电磁法在铁矿采空区中的应用[2]。

在某矽卡岩型铁矿区域的勘察过程中,受外界条件的干扰较大:①地形起伏大,且地表已经出现明显塌陷坑;②在勘察区附近有高压输变线沿南北向穿过,电磁类方法受干扰严重;③矽卡岩型铁矿矿体呈似层状、凸镜状、囊状等不规则状[10],地震反射波法同样不适用于该区域。

高密度电阻率法通过测定地下不同位置和深度的电阻率差异来寻找目标地质体[3],较电磁法具有更高的抗干扰能力,比较适合在该区开展采空区的勘察工作。

2 勘察区工程地质概况

本区位于阴山及秦岭两个巨型纬向构造体系之间,西临新华夏系太行隆皱带,东接华北沉降带,处于新华夏系两个不同构造单元的过渡地段。本区域以北北东向断裂为主,展布有东西向、向南东缓倾的褶皱。区内有南丛井、龙雾-活水等较大断层。本区地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40 s。

3 勘察区地球物理特征

勘察区岩性较为单一,主要分布有奥陶系中统马家沟组灰岩,第四系粉土及粉质黏土,燕山期侵入闪长岩等。该矽卡岩型铁矿区面积为0.159 km2,矿山采用斜井开拓,采矿许可高程范围为+334 ～+150 m,矿体平均厚16 m,倾角为35° ～50°。该矿已于2011 年关闭,形成的采空塌陷坑南北长约100 m,东西宽约80 m,深度为10 ～15 m,测区主要介质电阻率分布范围见表1。

表1 测区主要介质电阻率范围 Ω·m

由表1 可知,区内第四系地层呈低阻性;灰岩和闪长岩呈高阻性;矽卡岩呈中—高阻性;如地下巷道采空区未出现塌冒,可视为无穷大的高阻异常;当塌陷明显且填充有淤泥、积水时,则为低阻异常[7]。

4 野外数据采集及处理

4.1 测网布置

结合已知地质资料和实际地形情况,本着既能有效控制测区内主要采空区对铁路的影响范围,又兼顾物探工作的基本要求,在地形起伏较小、接地条件良好的位置布置了12 条物探测线(见图1)。

图1 物探工作布置

由图1 可知,测线P2、P4、P5、P8 和P11 是为了查明采空区的分布情况,测线P1、P6、P7 和P12 是为了研究矿体外围的地质情况。测线编号按自西向东、自南向北的顺序编录。根据收集的资料,本地区铁矿开采高程为+334 ～+150 m。采用高密度电法仪器进行观测,仪器参数为:电极数为120 道,最小隔离系数为1,最大隔离系数为36,供电脉宽为0.5 s,供电周期为1 s,偶极装置。

4.2 观测过程

野外工作中,首先沿测量剖面布置好电极,将所布电极与仪器相连接,而后加载工作电源。打开仪器后,设置工作参数,并进行接地电阻检测和导线绝缘检查,检测合格后方能启动自动测量采集。仪器可实时自动记录电位差、电流、隔离系数、装置系数和视电阻率值等数据。测量结束后以数据文件的形式存入测量仪器内,并填写野外记录表。若测量剖面较长,一个观测排列不能完全覆盖全部设计剖面,应采用多排列边界交叠的方式进行续段滚动测量(每次滚动30 道)。每次测量时,隔离系数从1 变化到30,电极距会从5 m 逐步增加到450 m。因此,在测量过程中,应根据极距及时调整供电电压[45]。

4.3 质量评价

为确保观测质量,对野外观测数据采取“一同二不同”的方式进行质检,即采用同一测点、不同时间、不同操作员,对实际完成观测工作量3%以上的测点进行重复检查观测,并将其两次观测数据进行均方相对误差计算[12],有

式中:pi—第i 点原始观测数据;—第i 点系统检测观测数据;¯pi—第i 点原始观测数据与系统检查观测数据的平均值;n—检查点数。

5 数据处理技术

高密度电阻率法的数据处理是把所测得的视电阻率经数据预处理、数据反演计算、资料解释,最后获得地质解译成果的过程,处理流程如图2 所示[1]。

图2 高密度电阻率法数据处理流程

6 资料成果解释

6.1 高密度剖面解释

(1)P4 剖面解释

P4 剖面长900 m,方位角为NE68.0°。该剖面最低点高程为288 m,最高点高程为378 m,最大高差为90 m。在P4-86 ～P4-87 之间,地表可见坍陷坑。

图3 为P4 剖面反演成果。从垂向上来看,层状结构不明显,剖面上部为阻值≤50 Ω·m 的低阻层,推断为第四系坡积冲积松散土层。在P4-50 ～P4-80 间,表层杂乱无章,推断为地下采空区塌陷所引起的地表结构改变。 P4-82 ～P4-112 点间的高阻异常,推断为山体裂隙。表层为电阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻区,推断为奥陶系灰岩;电阻率值≥1 000 Ω·m的高阻部位推断为侵入的闪长岩体。从剖面水平方向来看,P4 剖面在P4-65 ～P4-110 下方(高程280 ～330 m之间)有一个低、高阻相间的条带状异常,推断该异常由采空区引起,其中低阻异常位于山底,高阻异常位于山顶。低阻异常为采空区积水所致,而高阻异常是山顶部位岩石因采空塌陷导致岩体破碎,产生的大量裂隙所致。在P4-60 下方,一条带状低阻异常被断为两段,认为该处是由于采空区塌陷导致浅部地质结构变化所引起,推断该处为采空区左侧影响边界;在P4-115 点下方,存在一个电阻率两侧差异明显的梯度带,推断该处为采空区的右侧影响边界。

图3 P4 剖面反演解释成果

(2)P7 剖面解释

该剖面长度为750 m,方位角为NE155.6°,最低点高程为294 m,最高点高程为316 m,最大高差为22 m。

图4 为P7 剖面反演成果。从垂向来看,该剖面具有明显的两层结构,而水平方向分区不明显。整条剖面上部为一厚度为10 ～40 m 的低阻层,此低阻层分布较为均匀,变化平缓,阻值≤50 Ω·m,推断属第四系坡积冲积松散土层。在P7-60 ～P7-90 点间地表出现的高阻异常是工区内的临时道路所致,由于道路被碎石填充压实,导致表层电阻率增高。剖面中、下部为电阻率值100 ～1 000 Ω·m的中、高阻区域,推断为奥陶系灰岩。纵观P7 视电阻率剖面和反演电阻率剖面,其电阻率形态规则、完整,无明显采空区异常特征。

(3)P9 剖面解释

P9 剖面长900 m,方位角为NE158.5°。该剖面最低点高程为302 m,最高点高程为343 m,最大高差为41 m。

图5 为P9 剖面反演解释成果。从剖面垂向来看,上部为厚5 ～20 m 的低阻层,此低阻层分布较为均匀,变化平缓,阻值≤50 Ω·m,推断为第四系坡积冲积松散土层。下部为电阻率值100 ～1 000 Ω·m 的中、高阻区,推断为奥陶系灰岩。电阻率值≥1 000 Ω·m 的高阻区推断为侵入的闪长岩体。

图4 P7 剖面反演解释成果

图5 P9 剖面反演解释成果

从水平方向来看,剖面按异常特征可划分为两个部分,第一部分位于P9-1 ～P9-110 间,电阻率值≥1 000 Ω·m,推断为侵入的闪长岩体。第二部分从P9-110 到该剖面结束,电阻率值≤1 000 Ω·m,推断为奥陶系灰岩。 P9-110 下方为陡立密集的异常梯度带,推断该处为闪长岩的侵入边界。在点P9-30 ～P9-96 之间,存在一个条带状高阻异常带,电阻率值≥5 000 Ω·m,推断该异常由采空区引起。采空区左侧边界有一近似呈45°角向地表延伸的线性高阻异常梯度带(延伸至地表P9-12 处),推断该处为采空区在地表的左侧影响边界。在右侧同样存在一个异常梯度带,延伸至地表P9-115 点处,推断该处为采空区在地表的右侧影响边界。

6.2 水平剖面解译

图6 为推断采空区水平切片示意。由图6 可知,采空区上下跨度较大,与矿体产状陡倾关系较大,但大面积采空范围的高程主要集中在250 ～280 m 范围之间。

6.3 综合地质解释及验证

图6 采空区水平切片解释成果

基于上述各剖面的地质解释结果及各层切片解释结果,将其投影到测区地表,结合已掌握的地质资料,做如下推断解释:测区内表层大部分被第四系松散土层所覆盖,山顶部位有基岩出露,其埋深为2 ～30 m 不等,基岩埋深从两坡向沟谷中心呈逐渐增大的趋势。勘察区中部有采空区,推断采空区地表投影位置及范围如图7 所示。