综合物探在石城崮铁矿采空区勘查中的应用

李希乐

山东省地质测绘院，山东 济南 250002

0 引言

多年来，我国一些矿山开采一度出现粗放式现象，在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，对周围的人民生命财产安全带来较大的安全隐患。当前国家对环境治理问题愈加重视，提出了“绿水青山就是金山银山“口号。在这种形势下，我院在山东省兰陵县石城崮铁矿开展的采空区勘查治理项目，采用地面磁法及瞬变电磁法的综合物探方法对采空区进行前期勘查，取得了较好的效果。

1 勘查区地质及水文地质特征

1.1 勘查区地质特征

勘查区位于山东省兰陵县，为一处铁矿采空区。治理区地层由老到新主要为新太古界泰山岩群山草峪组，新元古界二青山组。太古界泰山岩群山草峪组是(鞍山式)铁矿的赋存层位。第四系仅分布于山前平地及沟谷两侧。

勘查区构造形式可分为基底构造和盖层构造两种。基底泰山岩群变质地层经过强烈的变质变形作用形成了一系列紧密的复式褶皱。盖层总体为一单斜构造，断裂构造位于采空区西端，为高角度正断层。

区内岩浆岩不甚发育，仅有少量角闪闪长玢岩侵位于泰山岩群山草峪组或土门群二青山组中，厚度小，均在几米之内。

1.2 勘查区水文地质特征

勘查区地处低山丘陵区，地形起伏较大，矿体赋存于+122 m标高以下，矿区及周围最低侵蚀基准面标高为110 m，大部分矿体位于侵蚀基准面之下。勘查区含水岩组划分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、基岩裂隙含水岩组两种类型。矿区水文地质条件简单，且矿山已停产多年，矿区地下水位线基本处于稳定状态。

2 铁矿矿体特征

治理区铁矿体赋存于泰山群山草峪组变质地层中，为隐伏矿体，上覆盖层为青白口系沉积地层。矿体顶底板围岩为黑云变粒岩或黑云角闪片岩。矿体赋存于+140～+122 m标高以下，矿体埋深30～95 m。治理区内有1个铁矿体，矿体呈层状、似层状，其产状与地层产状基本一致。矿体沿走向或倾向呈舒缓波状延展，具膨胀狭缩和分枝复合的特点。

矿体总体走向87°左右，倾向南，倾角75°。治理区矿体长度约270 m，厚度1.80～4.39 m，平均厚度2.77 m，厚度变化系数18.89%，厚度变化稳定。该矿体已部分采空，采空区平均水平厚度为4.37 m(1)吕治水,李兆芝,朱文丰,等.兰陵县华荣矿业有限公司石城崮铁矿采空区治理(地下)工程竣工报告[R],2018：3-5.。

3 勘查区地质物理特征

勘查区内各类岩石磁性参数见表1。由表可知，区内铁矿石磁性最强，变质岩系次之，它们与沉积盖层有着明显的磁性差异(2)张 旭，梁栋彬.山东省苍山县木山矿区石城崮矿段铁矿普查报告[R],2006:18-22.。本次磁测工作的基础主要是利用残余铁矿磁异常寻找铁矿采空区。

表1 岩(矿)石磁性参数统计表Table 1 Statistical table of magnetic parameters of rock (ore)

基于以上岩石磁性差异，采取了高精度磁测的工作方法。另外，由于勘查区内采空区位于水位线以下且有竖井连通，采空区被地下水充填，区内采空区相对围岩表现为低电阻率。综上所述，该铁矿采空区具备了采用高精度磁测与瞬变电磁工作进行勘查的地球物理基础[1]。

4 采用的物探工作方法

4.1 高精度磁测

采用加拿大生产的GSM-19T型质子磁力仪，探头距地表高度为2 m，控制总误差为不大于5 nT。共布置磁测剖面17条，点距5 m，线距20 m。

图1 工程布置图Fig.1 Project layout

测线方向为南北向，自西向东依次编号为11～27号线，每米点号增量为1，南端最小点号为100号，北端最大点号为340号。

4.2 瞬变电磁法

本次TEM工作采用北京骄鹏科技公司生产的E60T型瞬变电磁仪。据实际地形情况、工作需要和试验性探测的结果，本次TEM装置采用大定源装置，发射线框为400 m×400 m，接收回线边长为70 cm的多匝线圈，有效面积为16 m2。发射信号为阶跃正反方波，供电脉冲为10 ms，供电电流10 A左右，接收信号叠加次数为16次。每个物理点重复测量3次，所得数据取平均值。

共布置瞬变电磁剖面17条，线距20 m，方向南北，线号自西向东依次编号为L11～L27号线线距20 m；点距10 m(采空区附近加密为5 m)，每米点号增量为1，南端最小点号为100，北端最大点号为250号。

5 资料解释推断

5.1 高精度磁测

由于铁矿开采会有铁矿体残余而无法完全采出，故铁矿采空区多会产生一定的磁异常。在这种基础上，我们采用了高精度磁测对采空区进行了探测[2-10]。磁异常图如图2所示。

图2 磁测推断解释图Fig.2 Deduction and interpretation of magnetic measurement

由图2中可见，勘查区内存在明显的正负伴生异常，呈东西向条带状分布。勘查区北部为负异常，南部为正异常，异常形态为南缓北陡。正异常极大值378 nT，负异常极大值-1 078 nT。由此可推断磁性体南倾，与地质资料吻合度较好。推断采空区的边界如图2所示。

5.2 瞬变电磁法

为对采空区进行进一步的研究控制，开展了瞬变电磁工作。其推断解释情况如图3、图4所示。

图3 L19线视电阻率断面图(瞬变电磁)Fig.3 Apparent resistivity section of Line L19 (TEM)

图4 L22线视电阻率断面图(瞬变电磁)Fig.4 Apparent resistivity section of Line L22

如图3所示，该测线视电阻率总体表现为由浅到深逐渐增加的特征。在140～180号点，深度-110～-140 m存在明显的低阻异常，低阻异常视电阻率为40～200 Ω·m，背景视电阻率为220～580 Ω·m，推断该低阻异常为铁矿采空区的反映。

如图4所示，该测线视电阻率总体表现为由浅到深逐渐增加的特征。在155～190号点，深度-150～-170 m存在明显的低阻异常，低阻异常视电阻率为40～180 Ω·m，背景视电阻率为200～400 Ω·m。推断该低阻异常为铁矿采空区的反映。

5.3 综合推断

瞬变电磁二次场在高阻层衰减快，低阻层衰减慢，因而能够有效地反映充填有地下水的采空区等低阻异常区，结合高精度磁测及地质资料，总结出勘查区内铁矿采空区主要表现为“高磁低阻”的异常特征[11-16]。根据这一特征，以19号剖面为例对勘查区内的铁矿采空区范围进行了初步推断，推断成果如图5所示。初步推断采空区总体呈近东西向分布，东西长约180 m，南北宽约50 m。由高精度磁测初步推断，铁矿体(铁矿采空区)略向南倾；由瞬变电磁测量初步推断，采空区埋深约-120 m。据此布设了钻孔ZK1，设计深度130 m。

图5 L19剖面磁电综合图Fig.5 Integrated magnetoelectric diagram of section L19

5.4 钻探验证

物探资料解释工作完成后，项目部在此基础上组织了钻探验证工作。钻孔如图5所示，定于L19线180点附近，钻孔设计为直孔，设计深度130 m。

后钻探钻至深度104.3 m见采空区，掉钻至117.5 m，采空区纵向尺度13.2 m，与推断结果基本吻合。

6 结语

本次铁矿采空区勘查工作，通过采用高精度磁测与瞬变电磁相结合的方法，对采空区的空间位置进行了较准确的推断，经钻探施工，成功打到了预定的铁矿采空区，为后续采空区注浆充填工作打下了坚实的基础。

(1)铁矿采空区一般存在一定的残余矿体并会引起一定的磁异常，因此采用高精度磁测能够较有效地解决铁矿采空区的范围及倾向问题。

(2)采空区与围岩存在一定电性差异，瞬变电磁能够较有效地解决铁矿采空区的范围及深度问题。

(3)采用高精度磁测及瞬变电磁的综合物探方法对于铁矿采空区的勘查有着较好的效果。两种方法相互结合验证，能够减少物探多解性，提高物探资料解译的可靠性，对于同类采空区的勘查有着一定的指导意义。