巖礦含水率對電阻率的影響及對礦山突水預(yù)測的意義

王建國，李 瑋，張世珍

(青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，西寧 810016)

在金屬礦山的開采過程中，斷裂構(gòu)造是備受礦山工作者關(guān)注的地質(zhì)單元，含水構(gòu)造是誘發(fā)礦山突水、透水事故的重要的安全生產(chǎn)隱患之一。突水、透水事故具有突發(fā)性、復(fù)雜性和危害性等特點，所以，開展隱伏水體預(yù)測至關(guān)重要[1]。電阻率法是傳導(dǎo)類電法勘探最重要的方法之一，是根據(jù)巖礦導(dǎo)電性的差異，通過研究巖礦電阻率變化，對隱伏地質(zhì)體進(jìn)行探測的一種方法，具有成本低、效率高等優(yōu)點。電阻率對地質(zhì)體內(nèi)流體的存在和分布很敏感，地質(zhì)體內(nèi)部或者之間可能存在較多的開放的斷裂結(jié)構(gòu)，充填于地質(zhì)體孔隙內(nèi)的流體可以引起電阻率變小，需要搞清楚斷裂面幾何形狀、大小、分布、相互連通等情況[2]。因此，科學(xué)預(yù)測地質(zhì)體中可能分布的導(dǎo)水構(gòu)造、含水破裂帶是研究的難點和熱點之一。本文以查藏錯銅鉛鋅礦床為例，正是基于巖礦電阻率特性這些原理和方法，對礦山隱伏富水?dāng)鄬悠扑閹нM(jìn)一步預(yù)測，該研究結(jié)論與認(rèn)識能夠有效避免或減少礦山突水事故的發(fā)生。

1 研究背景

查藏錯銅鉛鋅礦床位于岡底斯成礦帶的中部北翼，隸屬于西藏申扎縣管轄，礦區(qū)主要出露的地層為林子宗群陸相火山碎屑巖和火山熔巖，是多階段火山熱液充填交代脈型礦床，該礦山斷裂發(fā)育，可能賦存多個含水地質(zhì)單元，是礦山開采的不利因素，礦區(qū)交通位置如圖1所示。大多數(shù)情況下，巖體干燥度顯著影響著電阻率，干燥度高電阻率就高，含水巖體電阻率會隨含水量的增加而顯著下降。巖礦電阻率差異是電法勘探的依據(jù)，同時，電阻率法也是探測礦床富水?dāng)嗔褞У炔涣嫉刭|(zhì)構(gòu)造的最佳方法之一，根據(jù)電阻率理論和方法可以推斷礦床斷裂展布特征及水體賦存狀況。目前認(rèn)為，通過測量巖礦含水率及電阻率，探討含水率對電阻率的影響及其分布特征，分析二者之間的擬合關(guān)系，構(gòu)建電阻率空間分布規(guī)律模式，推斷礦山斷層或破碎帶的空間分布特征，可以獲取地質(zhì)構(gòu)造的富水變化信息，合理解釋巖礦電阻率對于指示地質(zhì)體含水構(gòu)造單元具有重要意義，能夠有效預(yù)防在這些含水威脅區(qū)域開挖隧道或采礦時突水安全事故的發(fā)生，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 礦區(qū)交通位置圖Fig.1 The traffic map of mining area

2 巖礦特征

巖礦樣品照片如圖2(a—f)所示，根據(jù)野外觀察及室內(nèi)鏡下鑒定可知，石英多金屬硫化物階段巖礦礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦、藍(lán)銅礦；方解石多金屬硫化物階段主要可見黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦等。另外，野外可見方解石細(xì)脈穿插早期石英脈，由此可初步判斷方解石階段礦物形成稍晚于石英階段。

3 電阻率與含水率之間的關(guān)系

3.1 測試方法及分析結(jié)果

含有孔隙的巖礦電阻率ρ與其含水量和孔隙流體電阻率ρ水也有數(shù)學(xué)關(guān)系，見公式(1)。因此，巖礦中水分的含量與孔隙水電阻率兩個因素對電阻率影響較大，孔隙率可以使用AU-300R型巖礦孔隙率測量儀直接測定；電阻率使用RTS-8數(shù)字式四探針電阻率測試儀直接測定；對巖礦樣品含水率W測試應(yīng)選取不少于50 g的樣品3個，自然含水狀態(tài)下其質(zhì)量記為m1，105 °C～110 °C干燥24 h后取出在冷卻常溫下其質(zhì)量記為m2，則含水率計算用公式(2)可求出，經(jīng)加權(quán)平均得出，分析計算結(jié)果見表1。

(1)

式中：ρ為巖礦電阻率；ρ水為孔隙流體電阻率；ω為含水體積數(shù)(ω=1-V)。

(2)

式中：W為含水率；m1為烘干前樣品質(zhì)量，g；m2為烘干后樣品質(zhì)量，g。

圖2 巖礦樣品照片F(xiàn)ig.2 The photo of ore samples

表1 巖礦樣品測試分析結(jié)果Table 1 Results of test and analysis of rock and ore samples

3.2 孔隙率及含水率的分布特征

地下巖體裂隙的形成、發(fā)育、含水性及孔隙貫通是導(dǎo)致電阻率發(fā)生異常變化的主要原因之一[3]。含有孔隙流體的巖礦電阻率顯著地受到流體滲透率和孔隙度的影響[4]。部分黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦樣品的含水率與其電阻率是有關(guān)聯(lián)的，研究發(fā)現(xiàn)閃鋅礦含水率最小，電阻率大；方鉛礦含水率最大，黃銅礦、黃鐵礦次之，電阻率相對較小[5]。對于孔隙中仍有空隙的情形，巖礦電阻率、ω及ρ水之間的關(guān)系就復(fù)雜多了，總的規(guī)律是巖礦電阻率與ρ水是正相關(guān)的，與ω是負(fù)相關(guān)的。本文通過對巖礦孔隙率及含水率的測試分析發(fā)現(xiàn)(表1)，孔隙率介于0.87%～1.79%，含水率介于0.68%～1.36%。從圖3和圖4可以看出，在礦區(qū)內(nèi)，孔隙率大的礦體部位，其含水率也相應(yīng)增加，說明孔隙率與含水率具有正相關(guān)性，總體具有NW向和NNE向分布特點。

圖3 巖礦孔隙率等值線Fig.3 The contour map of porosity of rock and ore

圖4 巖礦含水率等值線Fig.4 The contour map of water content of rock and ore

3.3 電阻率變化規(guī)律

利用巖礦電阻率解析法，可以獲取地質(zhì)體諸多電阻率數(shù)據(jù)及隨影響因素變化的電阻率圖像，在此基礎(chǔ)上，能夠深入理解和研究地質(zhì)體斷裂帶分布特征，預(yù)測含水單元。從表1可知，巖礦樣品的電阻率介于0.49×10-2Ω·m～0.34×103Ω·m，圖5中黑色區(qū)域?qū)儆诘妥鑵^(qū)，白色區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)，灰色區(qū)域?qū)儆诟咦鑵^(qū)。從圖5中可以看出，礦區(qū)內(nèi)電阻率分布與含水率具有較好的擬合度，說明礦區(qū)內(nèi)電阻率總體具有NW向和NNE向分布特點。

圖5 礦區(qū)電阻率分布特征Fig.5 The distribution characteristics of resistivity in mining area

3.4 含水構(gòu)造預(yù)測

結(jié)合圖3、圖4、圖5分析結(jié)果可以推斷，礦區(qū)內(nèi)可能發(fā)育2～3條斷層或破碎帶，總體呈NW向、NNE向延伸，SW向、S向及E向延伸范圍不詳。根據(jù)巖礦孔隙率、含水率及電阻率空間分布規(guī)律，利用擬合軟件和參數(shù)計算，對礦區(qū)含水構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，礦區(qū)內(nèi)可能有3處突水威脅區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，礦區(qū)東南部有電阻率異常區(qū)域，由于超出礦區(qū)范圍，本次暫不進(jìn)行討論。綜上所述，建議礦山管理部門或現(xiàn)場施工人員挖掘巷道或采礦生產(chǎn)時，加強(qiáng)對該區(qū)域的探水和排水工作，嚴(yán)格遵守礦山邊探邊掘和邊采邊探防治水原則，增強(qiáng)安全和法律意識，以避免或減少礦山突水事故的發(fā)生。

圖6 礦區(qū)突水威脅區(qū)預(yù)測Fig.6 Prediction of water inrush threat area in mining area

4 討論

實際上，影響地質(zhì)體電阻率的因素是很多的，如物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、含水量、孔隙度大小及其連通性、其它膠結(jié)物、所處的環(huán)境溫度和壓力等[6]。巖礦成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙度是其本身的屬性[7]。巖礦電阻率的變化主要和裂隙水導(dǎo)電通路有著直接的關(guān)系[2]。含有孔隙流體的巖礦電阻率顯著地受到流體滲透率和孔隙度的影響[4]。本文以查藏錯銅鉛鋅礦床為例，基于巖礦電阻率特性，對礦山隱伏富水?dāng)鄬悠扑閹нM(jìn)行預(yù)測，是探索性的研究工作，初步認(rèn)為巖礦中水分的含量與孔隙水電阻率兩個因素對電阻率影響較大，通過測量巖礦電阻率值變化而獲得地質(zhì)構(gòu)造的富水變化信息，能夠有效地預(yù)防或減少在這些地帶開挖隧道或采礦時突水安全事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)通過對巖礦孔隙率及含水率的測試分析發(fā)現(xiàn)，孔隙率介于0.87%～1.79%，含水率介于0.68%～1.36%，巖礦樣品的電阻率介于0.49×10-2～0.34×103Ω·m。研究認(rèn)為，孔隙率大的部位，其含水率也相應(yīng)增加，說明孔隙率與含水率具有正相關(guān)性，電阻率分布與含水率具有較好的擬合關(guān)系，電阻率總體具有NW向和NNE向分布特點。

2)推斷礦區(qū)內(nèi)可能發(fā)育2～3條斷層或破碎帶，總體呈NW向、NNE向延伸，SW向、S向及E向構(gòu)造范圍不詳，并預(yù)測礦區(qū)內(nèi)可能有3處突水威脅區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。

綜上所述，建議礦山管理部門或現(xiàn)場施工人員挖掘巷道或采礦時，加強(qiáng)對突水威脅區(qū)域的防治水工作，嚴(yán)格遵守礦山邊探邊掘和邊采邊探原則，增強(qiáng)礦山安全和法律意識。