大地电磁法用于矿区岩溶塌陷区的探测与预知

尹维民

（山东省物化探勘查院，山东济南 250013）

近年来，随着我国科学技术取得的长足发展，微电子技术的技术更新升级也是日新月异，人们开始逐渐关注大地电磁法在社会生产生活中的实际应用和价值效益。特别是在国家地质勘查和矿产开采过程中，利用高密度电阻率法和浅层地震多道瞬态面波法相结合的综合检测技术得到越来越广泛的推广应用。在与传统检测方法得到的检测结果进行对比验证，最终得到应用大地电磁法（AMT）和高密度电阻率法相结合的综合检测技术对矿区岩溶塌陷区的检测更加准确，更加高效。

1 矿区岩溶塌陷区地质环境分析

1.1 水文地质条件

较多种类矿区范围内地下水类型分为上层滞水和潜水。区间下穿大营坡批发市场段地下稳定水位埋深约3.7～6.2m，位于矿洞拱顶以上9.6～11.7m。矿区水文地质条件较为复杂，地层赋水性差异较大，岩溶地区地下水受构造节理裂隙、岩溶洞（隙）及管道控制，分布不均匀，规律性差的特点，对矿区安全生产影响较大。

1.2 其他不良地质状况

根据先期矿区地质环境详勘报告分析，矿区内部主要存在的不良地质结构主要有岩溶和穿越断层。

（1）区间范围地层褶皱强烈，断裂复杂，岩溶地貌面起伏平缓，岩溶地质条件甚为复杂，矿井内部白云岩、灰岩广泛分布，现状地表为植被及既有路面及建（构）筑物，地表岩溶形态主要表现为岩层表面发育溶孔、溶隙、溶洞。地下岩溶形态主要以溶洞、溶沟（槽）、溶蚀裂隙为主，岩体内主要为溶孔、垂直溶洞（隙）、溶蚀破碎带，发育形态呈单个状或岩溶管道。溶洞被粘土或角砾充填，呈全或半充填状态，局部为空洞。本区间勘察取孔58处，经钻探揭露，遇溶洞（隙）钻孔17个，遇溶洞率29.3%，为岩溶强发育区[1]。

（2）区间穿越两条断层，断层两侧岩体表现一般呈现破碎状，岩溶较发育，均具有富水性。我国矿区开发中常用的岩溶塌陷区探测方法及实际应用如表1所示。

表1 岩溶塌陷区不同探测方法及应用

2 大地电磁法（AMT）瞬变电磁工作原理

高密度电阻率法是以电剖面法和电测深法为基础的一种阵列勘探方法，是通过检测地下介质传导直流电流的能力的差异来反演地下介质的物探新方法[2]。通过软件控制一条电缆上的布置的多个电极（几十至上百），使其组成多个垂向测深点或不同深度下多个电测剖面，可实现多种电极排列组合方式，并能够实现自动化[3]。探测数据通过软件处理后，可以自动生成图像，综合分析便可以得知地层剖面的详尽地质信息，大地电磁法（AMT）瞬变电磁充放电时间特性如图1 所示。

3 矿区岩溶塌陷区域勘探处理

3.1 洞内超前探测

当地面不具备处理条件时，可采用矿区内部探测来实现，对溶洞前方地质进行超前预报，先可以采用HSP 系统[4]，该系统以滚刀破岩震动作为震源进行探测，结合前期详勘、补勘地质资料，对溶洞前方岩层整体性和含水性进行实时探测与评价。根据区间左右线洞内超前探测及对比验证情况分析，采用HSP 超前地质预报系统基本与地面专项岩溶勘察作业成果相互吻合，证实了HPS法准确有效。

3.2 大地电磁法（AMT）瞬变电磁技术运用

（1）通过电阻率测试建立矿区的地层岩土体模型。电阻率数值从大到小依次为白云岩＞灰岩＞石英砂岩＞砂砾层＞玄武岩＞粘土＞砂质粘土，体现出各类岩土体电性差异明显[5]。

（2）利用大地电磁测深开展矿区地质剖面探测。判识出方向走向的活动断裂，及时圈定拉裂槽以及岩溶断陷区，基本可以查明矿区岩溶塌陷区域的空间电性特征。推测结果将会表明，矿区岩层结构从地表到深部依次为砂质粘土层—砂砾层—溶蚀(破碎)灰岩—完整基岩(灰岩)层四层，滑坡区段主要为溶蚀(破碎)灰岩—完整灰岩两层。

（3）确定了矿区岩溶区域的结构特征。得出溶蚀(破碎)灰岩层与完整基岩(灰岩)层的界面是否为主滑动面，滑面平均埋深的长度范围，便可计算出岩溶体积等参数[6]，矿区所含各类矿石电性参数如表2所示。

表2 各类矿区矿石电性参数

3.3 大地电磁法（AMT）矿区工作布置及工作参数

使用大功率多功能电磁法系统，采用TM 标量测量方式，场源为电性源，在平行于场源中垂线两边张角各30°的扇形区域内的远区逐点观测电场分量EX和与之正交的水平磁场分量HY振幅和相位，进而计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位。工作技术参数：工作频率0.25～8192Hz，收发距大于10km，供电电流大于12A，勘探深度大于1500m。视电阻率均方相对误差Mρs小于±3.89%，相位均方误差εφ小于±16mrad[7]。

3.4 矿区超前钻注处理重难点

（1）超前地质钻机安装在管片安装机上，与管片安装机管片抓举头相对保持180°位置，首先底座加工与安装，底座钢板为70mm 厚，焊接在安装机上，焊接过程中要间断焊接，控制焊接件温度，防止损伤到安装机回转轴承塑料保持架。

（2）提前根据图纸确定预留管道角度，钻机钻进前把钻机角度调整与预留管匹配对孔，同时钻进过程中关注参数变化和异响，保证角度正确。避免钻机角度和盾构机预留管道角度不匹配，会造成钻杆损伤，钻孔失败。

（3）钻机钻进时，严格控制钻进参数，钻杆钻进要经常反复回拉钻杆，保证钻孔有足够的扩挖量，对排渣球阀的出渣进行收集分析，进而确定地质情况，如岩溶和不良发育地层等。

3.5 矿区超前钻注处理实施

（1）为保证作业空间和作业安全，根据超前钻机的尺寸和钻进一根拆卸安装时需要的场地，油缸行程1500～1800mm 时停机。中盾、盾尾注入膨润土，避免长时间停机抱盾体情况。

（2）先安装钻机角度调整基座，基座安装后，通过10t 手拉葫芦把钻机安装在基座上。钻机安装完成后进行对控制柜调试，检查电路、液压系统、注浆系统等是否正常。

（3）根据钻进过程中揭示地质情况，主要通过钻进过程中扭矩等变化情况，同时辅助渣样分析判定钻进地质情况，当施工钻进扭矩变小同时钻进过程中渣土为黄泥浆时，判定施工钻进段为岩溶破碎区（溶洞）。

（4）初始钻孔深度2～4m后，暂停钻进。进入注浆状态，冲洗球阀切换至注浆，在已经完成的钻孔深度范围内预注膨润土，填充盾体与地层之间的缝隙。完成膨润土填注后，冲洗球阀切换回冲洗状态，继续超前钻孔，直至达到计划孔深，冲洗球阀切换至注浆，注浆的同时钻机缓慢正向旋转，并在钻机的整个行程范围内做进、退往复运动。

（5）注浆浆液主要采用水泥浆及双液浆。注浆过程中主司机关注土仓压力变化，当发现土仓压力持续随着注浆增长，需要停止注浆，同时搅动刀盘，防止浆液在刀具周边凝固，最后造成糊刀及刀具偏磨可能情况。

3.6 超前钻注处理效果验证

注浆完成4～5h后，重新针对已进行注浆加固孔进行钻孔检查，主要通过钻进过程中扭矩及渣样进行分析注浆加固效果，钻孔2～4m主要是充填膨润土，因此钻进速度较快，渣样主要为膨润土泥浆，根据钻进该孔钻进记录情况，钻进破碎段（溶洞）显示出渣为中风化白云岩以及水泥块证明加固效果良好。针对矿区岩溶区加固段复推后做好参数记录，通过掘进推力、扭矩、速度等主要参数指标及时与岩溶破损段（溶洞）施工参数进行对比分析并反馈。

4 结论

综上所述，大地电磁法（AMT）采用大电流供电，极大地提高信噪比，增强分辨率，增大矿区勘探深度，是当前采矿工程及地热勘探首选的物探方法，可快速准确查明断裂构造的产状、延深情况及地层电性结构分布情况，反映矿产埋深和厚度，为地下矿产资源的开发起到较好的指导作用，同时也可以为资源勘探的矿政管理提供科学依据。