齐大山铁矿南帮含水构造带探测研究

2020-04-17平守国王永增张忠海孟磊磊

金属矿山 2020年1期

平守国王永增张忠海郭凯孟磊磊

（1.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁鞍山114001；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

齐大山铁矿是鞍钢大型露天铁矿之一，同时也是鞍本地区开采历史最悠久的矿山之一，目前属于典型的大型深凹露天采坑。由于该矿在日伪时期遭受到掠夺性开采，导致在矿山采区的南帮遗留着较多不明采空区，采空区的存在给矿山生产带来了极大安全隐患。值得一提的是，2019 年1 月19 日，齐大山铁矿南帮涌水，水从南帮-180 m 水平（离采场约60 m 高差）进入采场，72 h 蓄水量约11 万m3。此后水流维持在400 m3/h 左右，对露天采场作业造成了较大危害。通过前期调查分析得出，此次涌水主要是含水构造与南帮下部的采空区连通，造成采空区大量充水所致。但含水构造为隐伏状态，规模大小难以用常规手段查明。由于含水构造带与周围地质环境存在明显的物性差异（如电性差异等），为利用地球物理勘探技术进行探测提供了良好的地球物理基础。

近年来，大量学者对于地球物理勘探技术的应用方面进行了大量卓有成效的探索。唐新功等［1］对瞬变电磁法找水进行研究，确认瞬变电磁法对地下水的探测能力比较灵敏，可以胜任找水的工作，也可用于对地下水水位进行动态监测。甘伏平等［2］利用电法、浅层地震发射法、跨孔电磁波透视的综合物探方法对地下水流通道进行了探测，确定了在不同情况下的最优探测方法组合。武毅等［3］对西南岩溶地区的不同含水介质进行了研究，提出了不同含水介质的地球物理勘查技术组合方案，并结合实例验证了其实用性。刘文波等［4］在荒漠地区使用瞬变电磁法对地下水进行探测，为沙漠地区钻井位置选取和施工提供了重要依据。张胤彬等［5］采用瞬变电磁法对小煤窑内的采空积水区进行了探测，表明瞬变电磁法在煤矿水文地质灾害调查方面具有良好的应用效果。高阳等［6］对渝东南岩溶储水构造的高密度电阻率法异常特征进行了分析，并总结该了地区常见的4类高密度电法异常形态，为提高岩溶石山地区找水的成井率提供了理论依据。黄国民等［7］在广西碎屑岩地区利用电法进行找水工作，总结了碎屑岩地区的电法找水经验，并为今后碎屑岩地区开展电法找水工作提供了参考。上述研究主要集中于找水、煤矿水文地质灾害调查等方面，对于铁矿山内与采空区相连的含水构造带的探测较少涉及。本研究以齐大山铁矿南帮含水构造带为探测对象，应用综合地球物理勘探技术进行含水构造带的先导性探测研究，确定含水构造带的位置及其与采空区之间的连通关系，解决铁矿山内隐伏的水文地质工程问题，为确保该矿安全生产提供有益参考。

1 探测区概况与探测技术

1.1 探测区概况

齐大山铁矿床是典型的“鞍山式”沉积变质型铁矿床，规模巨大，铁矿石资源十分丰富。铁矿床主要赋存于前震旦系变质岩系内，区内经历了多期地质运动，出露的地层有太古界鞍山群和元古界辽河群，上部地层主要被第四系沉积物覆盖。矿区的区域变质程度为绿片岩相—低角闪岩相，围岩蚀变较为常见，蚀变矿物主要有绢云母、石英、绿泥石等矿物，铁矿的主要产出地层为鞍山群樱桃园组，具体地层分布如图1（a）所示。齐大山铁矿的含矿地层为单斜构造，局部倒转，走向300°～340°，倾向SW，倾角70°～90°［8-10］。由于区内断裂构造发育，且开采时间较长，在不同深度存在大量的地下采空区。断裂构造如与空区及地表水系相连，则存在地下含水构造的可能性非常高。

矿区水文地质条件比较简单，区内无较大的地表水体，仅在西南侧有一条小河，该河常年流水，且流量受季节影响。矿层主要为裂隙含水层，透水性良好，地下水主要通过大气降水、孔隙水、裂隙水以及近河地段的河水补给。地下水以径流形式排泄，其流向为近EW 方向，主要依靠重力作用提供动力，水流大致沿地形坡度方向流动。本研究探测区位于齐大山铁矿采场南帮，如图1（b）所示。在其附近有一条小河（大青沟）垂直于齐大山铁矿的走向方向（近SN 方向），是采场南帮唯一的地表水水源，在某种程度上可以作为矿区地下水的补给来源。

1.2 探测技术方案

为探明齐大山铁矿南帮含水构造带的分布情况，根据现场探测条件，尽可能垂直于矿体走向，沿采场南帮唯一的地表水水源（大青沟）边缘布置测线，如图2所示。同时依据实际勘察情况与工区地球物理探测条件，结合含水地质体的低阻地球物理特征，提出了高密度电阻率法和瞬变电磁法相结合的地球物理勘探工作方法。具体的探测方案为：沿大青沟已知河流两岸布置两条平行的高密度电阻率法测线，点距4 m，测线长度240 m，应用60 道电极进行数据采集；并沿大青沟南岸布置瞬变电磁法测线一条，线圈边长为4 m×4 m，发射线圈20匝，接收线圈9匝，主要基于瞬变电磁法的低阻敏感性对高密度电阻率法探测出的含水构造异常进行验证。

1.3 探测技术工作原理

1.3.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是以岩（矿）石之间的电性差异为基础，通过观测和研究与该类电性差异有关的电场分布特征和变化规律，来探明地下地质体的分布情况［11-12］。高密度电阻率法探测装置类型多样［13］。为获取较为丰富的地质信息，同时确保探测结果的稳定性和准确性，本研究对高密度电阻率法选用采集数据可靠性程度高的温纳装置（Wenner Alpha）进行探测，其数据采集过程及数据断面如图3所示。

1.3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射脉冲电磁波作为一次电磁场。在一次电磁场的作用下，地下导电体内部感应产生涡旋电流，由于在一次脉冲磁场的间隙期间，涡旋电流产生的二次磁场不会随一次电磁场的消失而立即消失。在此期间，利用线圈或接地电极观测二次磁场，通过测量断电后各个时间段的二次磁场产生的感应电动势V 和时间t 之间的关系，得到二次场随时间的衰减变化特性曲线。根据二次场随时间变化的衰减曲线特征判断地下不同深度地质体的电性特征和空间形态，从而分析出地下地质体的导电性能及其位置，达到探测地下地质体、解决地质问题的目的［14-16］，其工作原理如图4所示。瞬变电磁法较其他常规电法而言，具有穿透能力较强、不受地形影响等特点，且对地下低阻异常敏感，适用于地下找水、探测含水构造带、识别充水型采空区等工作［17-18］。

本研究依据探测区现场地球物理勘探条件，选用多匝重叠回线装置进行探测。重叠回线装置是由两个大小、形状完全相同，在空间上重叠在一起的发射线框（Tx）和接收线框（Rx）组成，在测量过程中沿探测剖面同步移动，如图5所示。

1.4 探测技术参数设置与数据采集

本研究现场探测高密度电阻率法采用国产DUK-2A 电法勘探系统，为集中式布线设备，适用于在野外复杂地质条件下使用，且操作简单，稳定性好。为保证探测深度和精度，依据接地电阻实际情况，供电电压设定为400 V，工频干扰压制为50 Hz，采样装置最小隔离系数为1，最大隔离系数为19，采样供电为双波形直流电，每条线可以采集数据高达570个。

瞬变电磁法采用澳大利亚进口的TerraTEM 设备，该设备可设置更多的时间窗口区间，单位时间内采集信息分辨率高，外加快速增强的关断时间装置，适用于对浅—中层地质体进行探测，且对低阻体十分敏感［19-20］，适合对含水构造带进行识别。根据场地条件和探测深度要求，调整设定的发射电流5 A，关断时间为0.8 ms，50 Hz 工频干扰压制，128 次数据采集叠加，单点数据采样窗口达89个，可以获取高达50个空间数据点。

2 基于探测区地质-地球物理特征的理论模型正演模拟

本研究选用数值模拟方法对地下含水构造带的异常特征进行分析，建立高密度电阻率法含水构造带探测理论模型，如图6（a）所示。在所建立的理论模型中，设定电极数为60个，电极间距为4 m，含水构造带位于水平方向76～118 m、埋深7.5～60 m 范围内，宽度4 m，与垂直方向夹角约39°，围岩与含水构造带依据电性差异，其电阻率分别设定为100 Ω·m 和10 Ω·m，数据采集装置为温纳装置。并选用有限单元法对理论模型进行正演模拟计算，模拟结果如图6（b）所示。

在温纳装置正演电阻率剖面图中，在模型设定范围内有明显的低阻异常显示，视电阻率为86.9～92.6 Ω·m，探测模拟低阻区域较理论模型设定范围稍有增大，但轮廓清晰，呈近似椭圆状分布，且整体向左侧深部延伸，与理论模型一致，为含水构造带电阻率异常特征显示。同时，在该低阻区域右侧有一范围较小、连续性好、呈狭长状的次低阻异常显示。根据上述正演模拟分析，数值模拟结果与理论模型设定情况一致，充分说明利用高密度电阻率法探测含水构造带具有可行性。

3 含水构造带探测实例分析

3.1 探测数据处理与成果解译原理

高密度电阻率法和瞬变电磁法探测数据均采用仪器自带的软件按照流程进行处理反演。其中，高密度电阻率法采用骄佳软件，处理流程为导入数据→交互式手工及自动剔除数据坏点→滤波→地形改正→反演成图；瞬变电磁法采用自带的TEM 数据处理工作站，处理流程为导入数据→剪切未衰减前测道→自动滤波→输入关断时间→畸道消除、过度过程消除→测点圆滑、测道圆滑→输入发射电流、接收线圈匝数及面积、发射线框匝数及面积、延时等探测参数→反演成图。对于成图数据的成果解译，则依据研究区的地球物理特征开展。

齐大山铁矿南帮主要岩性有绿泥石英片岩、绿泥滑石片岩、绢云母石英片岩、含铁石英岩及千枚岩夹薄层含铁石英岩层等。从电阻率差异性方面分析，片岩和千枚岩的电阻率变化与含水率的关系较大，含水率小的条件下一般是高电阻率，含铁石英岩具有硅质条带，而条带一般与矿体走向一致，因此，垂直于矿体走向的含铁石英岩也呈高电阻率。含水构造带一般呈现低电阻率，因此，含水构造带与片岩、千枚岩和含铁石英岩具有明显的电阻率差异性。

3.2 探测成果解译

探测工作分别采用高密度电阻率法和瞬变电磁法在齐大山铁矿采场南帮唯一的地表水水源（大青沟）边缘进行测线布置。其中，高密度电阻率测线两条平行铺设，均采用温纳装置进行数据采集；并在大青沟南岸沿高密度电阻率测线铺设瞬变电磁法测线一条，采用重叠回线装置进行数据采集。探测结果如图7至图9所示。

由高密度电阻率法G-1 线、G-2 线解译成果图（图7 和图8）可知，地下视电阻率层面大致可以分为3 层，第1 层为高阻浅地表覆盖层，视电阻率为135～227 Ω·m；第2 层为低阻含水碎屑沉积岩层，视电阻率为28～71 Ω·m，推测为河流形成的冲洪积物堆积，疏松易含水；第3 层为基岩层，推测为探测区的老变质岩层，为不透水层，视电阻率为80～146 Ω·m。图中圈定的采空区异常位置为矿体所在位置，为富矿体，其两侧为构造带，发育蚀变岩层和片岩层，容易形成导水通道进而与空区贯通。同时，从G-1线解译成果图（图7）上可以看出，在水平方向40～64 m、埋深8～32 m范围内和水平方向72～90 m、埋深8～22 m范围内有两处明显低阻区域，视电阻率为1.92～8.12 Ω·m，可推测为含水构造带异常显示。从G-2 线解译成果图（图8）上可以看出，在水平方向40～66 m、埋深10～36 m 范围内和水平方向74～92 m、埋深8～22 m 范围内有两处明显低阻区域，视电阻率为5.71～16.37 Ω·m，可推测为含水构造异常显示。两条近似平行的高密度电阻率测线解译成果说明区内存在含水构造带，且切穿河流分布，形成了良好的供补给关系。

从含水构造带上方的瞬变电磁法S-1 线解译成果图（图9）也可以看出，浅层1～10 m所显示的低阻区域为瞬变电磁法探测盲区，根据高密度电阻率法探测结果可知探测盲区主要为浅层地表覆盖层，研究区内含水碎屑沉积岩层厚度在66 m 左右，其下为基底的老变质岩层，为不透水层。同时，根据图9 分析可知，在水平方向26～43 m、埋深22～50 m范围内和水平方向65～80 m、埋深22～54 m 范围内处在两处低阻区域，面积较大，且范围明显，可推测为含水构造带的地球物理异常显示，可与高密度电阻率法的探测成果相互印证。

3.3 探测成果综合分析与讨论

基于对区内含水构造带的地质-地球物理特征的研究与认识，综合高密度电阻率法正演模拟成果和现场地球物理探测数据解译成果，可知在高密度电阻率法G-1 线解译成果图上显示的两处低阻区域与高密度电阻率法G-2 线解译成果图上所显示的低阻区域范围基本吻合，二者可以相互印证。同时，高密度电阻率法现场探测成果显示的低阻异常均与含水构造带理论模型的正演模拟结果较为类似，也充分说明在这两处低阻范围所圈定的异常区间为含水构造带存在的地球物理异常显示，表明可以利用高密度电阻率法进行隐伏含水构造带的准确定位和精细探测。而在高密度电阻率法的成果基础上，采用瞬变电磁法进行二次探测，充分利用瞬变电磁法的低阻敏感特性，对含水构造带进行验证，也显示了类似的结果。最后，综合高密度电阻率法和瞬变电磁法探测数据解译成果，在瞬变电磁法解译成果图上显示的低阻区域均在高密度电阻率法所圈定的低阻异常范围内，二者可以相互验证，进一步说明该两处低阻异常为含水构造带存在的地球物理异常特征显示。

综上分析可知在探测区内，综合地球物理异常解译成果图上所显示的两处低阻区域为含水构造带，河流与含水构造带形成了供补给关系，可以提供持续的水源渗漏补给，但与空区的关系目前来看联系不大。基于此种认识，矿山在后续生产工作中，应密切监测含水构造带变化，防止生产扰动导致含水构造带扩大与采空区系统关联，形成大流量补给，给深凹露天开采造成水患灾害。