綜合物探在石城崮鐵礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

李希樂(lè)

山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002

0 引言

多年來(lái)，我國(guó)一些礦山開(kāi)采一度出現(xiàn)粗放式現(xiàn)象，在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區(qū)，對(duì)周?chē)娜嗣裆?cái)產(chǎn)安全帶來(lái)較大的安全隱患。當(dāng)前國(guó)家對(duì)環(huán)境治理問(wèn)題愈加重視，提出了“綠水青山就是金山銀山“口號(hào)。在這種形勢(shì)下，我院在山東省蘭陵縣石城崮鐵礦開(kāi)展的采空區(qū)勘查治理項(xiàng)目，采用地面磁法及瞬變電磁法的綜合物探方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行前期勘查，取得了較好的效果。

1 勘查區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

1.1 勘查區(qū)地質(zhì)特征

勘查區(qū)位于山東省蘭陵縣，為一處鐵礦采空區(qū)。治理區(qū)地層由老到新主要為新太古界泰山巖群山草峪組，新元古界二青山組。太古界泰山巖群山草峪組是(鞍山式)鐵礦的賦存層位。第四系僅分布于山前平地及溝谷兩側(cè)。

勘查區(qū)構(gòu)造形式可分為基底構(gòu)造和蓋層構(gòu)造兩種?；滋┥綆r群變質(zhì)地層經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的變質(zhì)變形作用形成了一系列緊密的復(fù)式褶皺。蓋層總體為一單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造位于采空區(qū)西端，為高角度正斷層。

區(qū)內(nèi)巖漿巖不甚發(fā)育，僅有少量角閃閃長(zhǎng)玢巖侵位于泰山巖群山草峪組或土門(mén)群二青山組中，厚度小，均在幾米之內(nèi)。

1.2 勘查區(qū)水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)地處低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，礦體賦存于+122 m標(biāo)高以下，礦區(qū)及周?chē)畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為110 m，大部分礦體位于侵蝕基準(zhǔn)面之下?？辈閰^(qū)含水巖組劃分為第四系松散巖類(lèi)孔隙含水巖組、基巖裂隙含水巖組兩種類(lèi)型。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，且礦山已停產(chǎn)多年，礦區(qū)地下水位線(xiàn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 鐵礦礦體特征

治理區(qū)鐵礦體賦存于泰山群山草峪組變質(zhì)地層中，為隱伏礦體，上覆蓋層為青白口系沉積地層。礦體頂?shù)装鍑鷰r為黑云變粒巖或黑云角閃片巖。礦體賦存于+140～+122 m標(biāo)高以下，礦體埋深30～95 m。治理區(qū)內(nèi)有1個(gè)鐵礦體，礦體呈層狀、似層狀，其產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。礦體沿走向或傾向呈舒緩波狀延展，具膨脹狹縮和分枝復(fù)合的特點(diǎn)。

礦體總體走向87°左右，傾向南，傾角75°。治理區(qū)礦體長(zhǎng)度約270 m，厚度1.80～4.39 m，平均厚度2.77 m，厚度變化系數(shù)18.89%，厚度變化穩(wěn)定。該礦體已部分采空，采空區(qū)平均水平厚度為4.37 m(1)呂治水,李兆芝,朱文豐,等.蘭陵縣華榮礦業(yè)有限公司石城崮鐵礦采空區(qū)治理(地下)工程竣工報(bào)告[R],2018：3-5.。

3 勘查區(qū)地質(zhì)物理特征

勘查區(qū)內(nèi)各類(lèi)巖石磁性參數(shù)見(jiàn)表1。由表可知，區(qū)內(nèi)鐵礦石磁性最強(qiáng)，變質(zhì)巖系次之，它們與沉積蓋層有著明顯的磁性差異(2)張 旭，梁棟彬.山東省蒼山縣木山礦區(qū)石城崮礦段鐵礦普查報(bào)告[R],2006:18-22.。本次磁測(cè)工作的基礎(chǔ)主要是利用殘余鐵礦磁異常尋找鐵礦采空區(qū)。

表1 巖(礦)石磁性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of magnetic parameters of rock (ore)

基于以上巖石磁性差異，采取了高精度磁測(cè)的工作方法。另外，由于勘查區(qū)內(nèi)采空區(qū)位于水位線(xiàn)以下且有豎井連通，采空區(qū)被地下水充填，區(qū)內(nèi)采空區(qū)相對(duì)圍巖表現(xiàn)為低電阻率。綜上所述，該鐵礦采空區(qū)具備了采用高精度磁測(cè)與瞬變電磁工作進(jìn)行勘查的地球物理基礎(chǔ)[1]。

4 采用的物探工作方法

4.1 高精度磁測(cè)

采用加拿大生產(chǎn)的GSM-19T型質(zhì)子磁力儀，探頭距地表高度為2 m，控制總誤差為不大于5 nT。共布置磁測(cè)剖面17條，點(diǎn)距5 m，線(xiàn)距20 m。

圖1 工程布置圖Fig.1 Project layout

測(cè)線(xiàn)方向?yàn)槟媳毕?，自西向東依次編號(hào)為11～27號(hào)線(xiàn)，每米點(diǎn)號(hào)增量為1，南端最小點(diǎn)號(hào)為100號(hào)，北端最大點(diǎn)號(hào)為340號(hào)。

4.2 瞬變電磁法

本次TEM工作采用北京驕鵬科技公司生產(chǎn)的E60T型瞬變電磁儀。據(jù)實(shí)際地形情況、工作需要和試驗(yàn)性探測(cè)的結(jié)果，本次TEM裝置采用大定源裝置，發(fā)射線(xiàn)框?yàn)?00 m×400 m，接收回線(xiàn)邊長(zhǎng)為70 cm的多匝線(xiàn)圈，有效面積為16 m2。發(fā)射信號(hào)為階躍正反方波，供電脈沖為10 ms，供電電流10 A左右，接收信號(hào)疊加次數(shù)為16次。每個(gè)物理點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，所得數(shù)據(jù)取平均值。

共布置瞬變電磁剖面17條，線(xiàn)距20 m，方向南北，線(xiàn)號(hào)自西向東依次編號(hào)為L(zhǎng)11～L27號(hào)線(xiàn)線(xiàn)距20 m；點(diǎn)距10 m(采空區(qū)附近加密為5 m)，每米點(diǎn)號(hào)增量為1，南端最小點(diǎn)號(hào)為100，北端最大點(diǎn)號(hào)為250號(hào)。

5 資料解釋推斷

5.1 高精度磁測(cè)

由于鐵礦開(kāi)采會(huì)有鐵礦體殘余而無(wú)法完全采出，故鐵礦采空區(qū)多會(huì)產(chǎn)生一定的磁異常。在這種基礎(chǔ)上，我們采用了高精度磁測(cè)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)[2-10]。磁異常圖如圖2所示。

圖2 磁測(cè)推斷解釋圖Fig.2 Deduction and interpretation of magnetic measurement

由圖2中可見(jiàn)，勘查區(qū)內(nèi)存在明顯的正負(fù)伴生異常，呈東西向條帶狀分布。勘查區(qū)北部為負(fù)異常，南部為正異常，異常形態(tài)為南緩北陡。正異常極大值378 nT，負(fù)異常極大值-1 078 nT。由此可推斷磁性體南傾，與地質(zhì)資料吻合度較好。推斷采空區(qū)的邊界如圖2所示。

5.2 瞬變電磁法

為對(duì)采空區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的研究控制，開(kāi)展了瞬變電磁工作。其推斷解釋情況如圖3、圖4所示。

圖3 L19線(xiàn)視電阻率斷面圖(瞬變電磁)Fig.3 Apparent resistivity section of Line L19 (TEM)

圖4 L22線(xiàn)視電阻率斷面圖(瞬變電磁)Fig.4 Apparent resistivity section of Line L22

如圖3所示，該測(cè)線(xiàn)視電阻率總體表現(xiàn)為由淺到深逐漸增加的特征。在140～180號(hào)點(diǎn)，深度-110～-140 m存在明顯的低阻異常，低阻異常視電阻率為40～200 Ω·m，背景視電阻率為220～580 Ω·m，推斷該低阻異常為鐵礦采空區(qū)的反映。

如圖4所示，該測(cè)線(xiàn)視電阻率總體表現(xiàn)為由淺到深逐漸增加的特征。在155～190號(hào)點(diǎn)，深度-150～-170 m存在明顯的低阻異常，低阻異常視電阻率為40～180 Ω·m，背景視電阻率為200～400 Ω·m。推斷該低阻異常為鐵礦采空區(qū)的反映。

5.3 綜合推斷

瞬變電磁二次場(chǎng)在高阻層衰減快，低阻層衰減慢，因而能夠有效地反映充填有地下水的采空區(qū)等低阻異常區(qū)，結(jié)合高精度磁測(cè)及地質(zhì)資料，總結(jié)出勘查區(qū)內(nèi)鐵礦采空區(qū)主要表現(xiàn)為“高磁低阻”的異常特征[11-16]。根據(jù)這一特征，以19號(hào)剖面為例對(duì)勘查區(qū)內(nèi)的鐵礦采空區(qū)范圍進(jìn)行了初步推斷，推斷成果如圖5所示。初步推斷采空區(qū)總體呈近東西向分布，東西長(zhǎng)約180 m，南北寬約50 m。由高精度磁測(cè)初步推斷，鐵礦體(鐵礦采空區(qū))略向南傾；由瞬變電磁測(cè)量初步推斷，采空區(qū)埋深約-120 m。據(jù)此布設(shè)了鉆孔ZK1，設(shè)計(jì)深度130 m。

圖5 L19剖面磁電綜合圖Fig.5 Integrated magnetoelectric diagram of section L19

5.4 鉆探驗(yàn)證

物探資料解釋工作完成后，項(xiàng)目部在此基礎(chǔ)上組織了鉆探驗(yàn)證工作。鉆孔如圖5所示，定于L19線(xiàn)180點(diǎn)附近，鉆孔設(shè)計(jì)為直孔，設(shè)計(jì)深度130 m。

后鉆探鉆至深度104.3 m見(jiàn)采空區(qū)，掉鉆至117.5 m，采空區(qū)縱向尺度13.2 m，與推斷結(jié)果基本吻合。

6 結(jié)語(yǔ)

本次鐵礦采空區(qū)勘查工作，通過(guò)采用高精度磁測(cè)與瞬變電磁相結(jié)合的方法，對(duì)采空區(qū)的空間位置進(jìn)行了較準(zhǔn)確的推斷，經(jīng)鉆探施工，成功打到了預(yù)定的鐵礦采空區(qū)，為后續(xù)采空區(qū)注漿充填工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(1)鐵礦采空區(qū)一般存在一定的殘余礦體并會(huì)引起一定的磁異常，因此采用高精度磁測(cè)能夠較有效地解決鐵礦采空區(qū)的范圍及傾向問(wèn)題。

(2)采空區(qū)與圍巖存在一定電性差異，瞬變電磁能夠較有效地解決鐵礦采空區(qū)的范圍及深度問(wèn)題。

(3)采用高精度磁測(cè)及瞬變電磁的綜合物探方法對(duì)于鐵礦采空區(qū)的勘查有著較好的效果。兩種方法相互結(jié)合驗(yàn)證，能夠減少物探多解性，提高物探資料解譯的可靠性，對(duì)于同類(lèi)采空區(qū)的勘查有著一定的指導(dǎo)意義。