多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)的應(yīng)用研究

李松洲

（廣東煤炭地質(zhì)二〇二勘探隊(duì)，廣東 廣州 510800）

在進(jìn)行大型永久性工程建設(shè)前，必須對工程項(xiàng)目所在的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，特別是一些在礦區(qū)采空區(qū)附近的工程，地質(zhì)資料更要詳實(shí)準(zhǔn)確。礦區(qū)采空區(qū)在地下礦產(chǎn)被采掘后，在采掘區(qū)內(nèi)的巖層內(nèi)部形成空洞，這樣就造成在礦區(qū)形成塌陷區(qū)、地裂隙帶，特別是對經(jīng)過這個范圍的地下軌道交通工程形成巨大的地質(zhì)安全隱患。為了保證采空區(qū)地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，往往采用多種勘察技術(shù)相結(jié)合的方式，這樣在勘察過程中起到相互驗(yàn)證的作用，從而實(shí)現(xiàn)對勘測資料的全面分析。下面該文將介紹高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、綜合測井等幾種技術(shù)的簡要原理，結(jié)合它們在龍歸硝鹽礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用效果，闡述多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)勘察中起到的重要作用。

1 勘察技術(shù)

1.1 高密度電法

高密度電法測量法是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究這些差異以及人工電場的分布規(guī)律，可達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下典型不均勻體（巖溶、風(fēng)化層、滑坡體等）的一種地球物理勘探方法[1]。

在高密度電法中，如果表現(xiàn)為高電阻率，低極化率說明被測采空區(qū)內(nèi)水分含量低；如果表現(xiàn)為低電阻率，高極化率[2]，說明被測采空區(qū)水分含量高地質(zhì)比較松軟，這也是激電勘探的物理基礎(chǔ)[3]。

1.2 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

可控源音頻大地電磁法（簡稱 CSAMT 法）是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場分量的一種電磁測深方法[4]。

1.3 綜合測井

綜合測井就是對鉆孔揭露的地層層序進(jìn)行劃分和標(biāo)定，利用測井資料進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造和斷層研究，完成鉆孔綜合柱狀圖[5]。

2 多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 工區(qū)概況及野外采集

龍歸硝鹽礦采空區(qū)位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)永泰莊、高橋莊一帶，礦山準(zhǔn)采區(qū)位于龍歸礦區(qū)南礦段，面積為3.084 km2。礦區(qū)處于珠江三角洲廣從斷裂帶控制的龍歸盆地南部，該盆地呈北東向狹長狀展布，長約 46 km，最寬可達(dá) 9 km，面積為206 km2。該盆地沉積了一套厚度較大的以河湖相為主的下第三系碎屑巖，基底及邊緣由古、中生界和燕山期花崗巖組成。該硝鹽礦自 1994年水溶法開采以來，地面沉降累計最大量達(dá)到 1 016 mm，并且沉降仍在持續(xù)發(fā)展，在開采區(qū)及周邊約4 km2范圍調(diào)查結(jié)果可見建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)裂縫、傾斜以及開采井管地面發(fā)生震動等現(xiàn)象，根據(jù)對以往勘察資料的研究，認(rèn)為此處采空區(qū)地質(zhì)狀況比較復(fù)雜，因此決定采用高密度激電、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、聲納探測和綜合測井等幾種技術(shù)進(jìn)行勘探。

該次高密度激電法勘察中使用深圳市賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 GD-10 高密度電法測量系統(tǒng)進(jìn)行觀測，選用施倫貝謝爾裝置測量?？碧降墓ぷ鲄?shù)電極距 a=10 m，點(diǎn)距 10 m，最小隔離系數(shù)為 n=1，最大隔離系數(shù) n=25。供電波形為方波供電。供電電壓：450 V。測量時接地電阻小于2 kΩ，局部地段接地電阻小于4 kΩ，測量電位差大于10 mV。該區(qū)實(shí)測測線長 3.32 km，共 4 條測線，測點(diǎn) 328個，檢查點(diǎn) 11 個，檢查率 3.35%，

在可控源音頻大地電磁法（CSAMT）勘察中采用美國Zonge 公司生產(chǎn)的 GDP-32 Ⅱ多功能電法儀，該次 CSAMT測量選定了以下工作參數(shù)——電源陷頻濾波器：50/5，采用 50/5 濾波器壓制 50 Hz 的 5 次諧波干擾，以壓制低頻干擾。工作頻率：1 Hz ～8 192 Hz；采用加密頻點(diǎn)，f=2n Hz（n=0、1、2、…13）；加密頻點(diǎn)測量有利于掌握數(shù)據(jù)變化規(guī)律。發(fā)射電流：低頻段均為 23 A，中高頻段大于10 A；高頻段大于4 A；大發(fā)射電流有利于提高信噪比。收發(fā)距：結(jié)合之前的試驗(yàn)成果，該次 CSAMT 測量收發(fā)距在 5 km～8 km；短收發(fā)距有利于提高信噪比，同時收發(fā)距能滿足 600 m 探深的需求。疊加次數(shù): 16～16 384 次；在強(qiáng)干擾條件下，數(shù)據(jù)采集采用多次采集、單次少疊加較為合適。野外工作測量時，接收機(jī)、操作員等遠(yuǎn)離 ANT/6 型磁探頭 5 m 以上；風(fēng)力較大時采取墊平、掩埋等措施，減小了探頭震動。磁探頭定向采用森林羅盤，保證了定向準(zhǔn)確度達(dá) 1°。選擇土壤潮濕處埋設(shè)供電電極，并在導(dǎo)電材料上澆鹽水，壓實(shí)坑土，保證電極接地良好，電阻小于30Ω。

綜合測井方法技術(shù)采用中裝集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的 JGS-1B 型智能工程測井儀。根據(jù)任務(wù)要求及選擇的測井方法，配備使用的主要儀器數(shù)字采集記錄儀（JGS-1B）、聲波探管、電位電阻率（JD-1）、井溫流體電阻探管（W422）、組合密度探管（M552）、流量探管（LLY-1）井斜儀（JCX-3）和井陘。測井內(nèi)容包括聲波測井、核測井、自然電位測井、井溫測井、井徑測量和流量測量。

2.2 對龍歸硝鹽礦采空區(qū)實(shí)測資料解釋

龍歸硝鹽礦采空區(qū)是水溶法開采以來采集形成的空洞，通過該次高密度電法測量，了解龍歸硝鹽礦段壓覆的礦區(qū)西北部地段80 m 以淺的電阻率分布特征，詳細(xì)劃分其電性層，將其分別推斷為第四系覆蓋層、砂巖、泥巖或泥巖與地下水。根據(jù)反演電阻率斷面來看，電阻率明顯呈層狀分布，由上至下可分為3 層：第一層為淺部低阻層，厚度小于 5 m；第二層為相對高阻層，厚度在 15 m ～30 m ；第三層為下部低阻層。推斷5 m 以淺的低阻為第四系覆蓋層的反映，第二層相對高阻層推斷為砂巖的反映，下部低阻層推斷為泥巖或泥巖與地下水共同引起。

通過 CSAMT 測量，大致了解了測區(qū)電阻率分布特征，分別對測區(qū) 24 條測線進(jìn)行了詳細(xì)的解釋推斷，推斷8 個溶腔的平面位置分布特征，圈定了一個溶蝕區(qū)，一個低阻異常區(qū)：其中溶蝕區(qū)面積約 0.12 km2，低阻異常區(qū)面積約 0.17 km2，溶蝕區(qū)溶蝕程度較大。將整條測線根據(jù)電性特征以及側(cè)向電阻率曲線分布情況劃分為5 個層位。一層：位于標(biāo)高 0 m 以淺，電阻率在 30 Ω·m～80 Ω·m ，推斷為第四系覆蓋層；二層：位于標(biāo)高-50 m～0 m ，電阻率在 20 Ω·m～300 Ω·m ，近似水平層狀分布，結(jié)合地球物理特征及鉆孔揭露情況，推斷為砂巖引起。三層：位于標(biāo)高-300 m～-50 m ，推斷為砂巖與泥巖互層引起。四層：位于標(biāo)高- 600 m～-160 m ，電阻率小于 10 Ω·m，這一層位主要以泥巖為主，硝鹽礦層主要賦存在泥巖之中5層：位于標(biāo)高-460 m 以下，電阻率大于 10 Ω·m，該層位于硝鹽礦之下，本層上部也受采鹽的影響導(dǎo)致電阻率偏低，往深部電阻率逐步增大，根據(jù)鉆探情況，巖性主要以泥巖為主，部分鉆孔揭露區(qū)內(nèi)泥巖之下存在隱伏灰?guī)r。推斷泥巖段目前的地質(zhì)狀況是由于“水溶法”開采形成溶腔后，殘留的鹽水受上覆破碎的泥巖塌陷填充擠壓往上浸入引起的，形成的溶腔已被破碎的泥巖充填，充填后溶腔內(nèi)鹽水往上浸入，導(dǎo)致低阻異常中心位于硝鹽礦上方。該層位位于硝鹽礦之下，該層上部也受采鹽的影響導(dǎo)致電阻率偏低，往深部電阻率逐步增大，根據(jù)鉆探情況，巖性主要以泥巖為主，部分鉆孔揭露區(qū)內(nèi)泥巖之下存在隱伏灰?guī)r。

通過綜合測井測量，可以推斷得出該礦區(qū)采空區(qū)第三含水層直接接觸主采鹽層，多以泥質(zhì)礫巖為主，頂板破碎，水系極易連通，在水溶法開采擾動下自然平衡易遭受破壞，將可能發(fā)生地裂縫、地面沉陷。鹽穴形成一般會經(jīng)歷采空-地應(yīng)力變化-頂板變形-頂板及上覆地層垮塌-地面沉降的過程，特別是在開采形成采空區(qū)后，礦鹽仍會進(jìn)一步發(fā)生溶解、軟化，頂板、夾層有可能垮塌，垮塌后的泥巖在水中會軟化，無法對上部巖石產(chǎn)生支撐，在新的空間，又有可能產(chǎn)生新的垮塌，使垮塌穹頂慢慢升高，從而可能加速地面沉降。

2.3 對龍硝鹽礦采空區(qū)實(shí)測的綜合解釋

綜合高密度激電法、CSAMT 和綜合測井共同確定內(nèi)泥巖電阻率低，硝鹽礦層主要位于泥巖中，由于礦區(qū)采用“水溶法”進(jìn)行開采，將鹽礦層溶解并抽出后會在泥巖中形成溶腔，溶腔上覆地層會因壓裂而垮塌，將溶腔充填，泥巖遇水后體積增大，導(dǎo)致溶腔被松散的泥巖填滿，溶腔內(nèi)殘留的鹽水會沿松散的泥巖向上浸入，導(dǎo)致巖層上方電阻率與鹽礦層附近相當(dāng)甚至更低；如果溶腔上部泥巖未垮塌，溶腔內(nèi)充填的鹽水也會形成厚大的低阻層。

3 對龍歸硝鹽礦采空區(qū)的實(shí)際測量結(jié)論

多種勘察方法的使用，大大地彌補(bǔ)了單一勘測方法資料片面、無法多方面解釋勘察結(jié)果的缺點(diǎn)。高密度激電法可以通過電阻率斷面分析地層巖層及地下水的分布，通過CSAMT 可以反映采空區(qū)的位置，而通過綜合測井了解采空區(qū)內(nèi)的巖石結(jié)構(gòu)、分布和性質(zhì)。多種物探方法可以互相驗(yàn)證，互相補(bǔ)充，從而提高勘探精度，保證物探成果的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語

由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在進(jìn)行物探后可能存在多種解釋，為了做到對地質(zhì)結(jié)構(gòu)解釋的科學(xué)性，必須通過多種勘察手段進(jìn)行全面勘察，才能達(dá)到更好的效果，最大限度地減少地質(zhì)分析解釋的多重性，因此在進(jìn)行勘察時要對工作布置、野外數(shù)據(jù)采集、資料處理、異常解釋、鉆孔布置等各環(huán)節(jié)均仔細(xì)研究，檢測設(shè)備的工作參數(shù)需通過試驗(yàn)進(jìn)行選擇，尤其在地質(zhì)情況較復(fù)雜的區(qū)域，在勘察中的每個環(huán)節(jié)必須做到有科學(xué)依據(jù)的支撐，并在資料處理及解釋均綜合各地質(zhì)因素進(jìn)行全面分析，才能獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)。