綜合物探技術在濰煙線金礦采空區(qū)勘察中的應用

宗傳志

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，部分鐵路難以避免穿越采空區(qū)，給鐵路工程勘察設計帶來了較大影響[1-2]。探查采空區(qū)最簡單直接的方式包括訪問、調查或直接進洞測量等，然而，部分采空區(qū)開采年代久遠，缺乏可供查詢的資料，其規(guī)模、形態(tài)和分布無跡可尋。因此，需要采用相應的勘察手段查明其分布[3]。

受傳統(tǒng)鉆探周期長、費用高、鉆孔數(shù)量少等限制，物探技術成為采空區(qū)勘察中的必要手段[4]。應優(yōu)選適宜的綜合物探技術，充分結合不同物探方法優(yōu)點和作用，發(fā)揮其高效、經(jīng)濟等技術優(yōu)勢[5]。部分學者進行了相關研究，李志華結合具體工程實例，總結了高密度電法、地震折射法、瞬變電磁法等多種物探方法的適用性[6-7]；李堅歸納了各種物探資料對應的小煤窯采空區(qū)的異常特征[8]；張吉振等總結了氡氣在采空區(qū)中的運移規(guī)律和解釋原則[9]；程懷蒙等在鄂東南地區(qū)大理巖捕虜體勘探中，應用綜合勘探方法取得良好的效果[10]。然而，以往研究多針對煤礦、鐵礦采空區(qū)問題[11-16]，而對金礦采空區(qū)的研究較少。

根據(jù)濰煙線靈山蔣家金礦采空區(qū)空間分布復雜、埋深變化大等特點，決定采用測氡法，重力法，地震映像法以及天然源音頻大地電磁法進行勘探。

2 工點概況

2.1 測區(qū)概述

靈山蔣家金礦采空區(qū)測區(qū)位于山東省招遠市以西，與榮烏高速毗鄰，主要位于濰煙線(DK97+030～DK98+400)左側，地理位置如圖1所示。

圖1 靈山蔣家金礦采空區(qū)測區(qū)地理位置示意

圖2 靈山蔣家金礦采空區(qū)勘察物探平面布置

測區(qū)屬低山丘陵區(qū)，沖溝發(fā)育，地形起伏較大?，F(xiàn)場出露地層主要為素填土、填筑土、砂類土、粉質黏土、花崗巖、花崗閃長巖等。工作區(qū)位于沂沭斷裂帶東側，大地構造位置隸屬于華北板塊東南緣的膠北斷隆，南接膠萊拗陷，具有古老的基底變形變質巖系、多期多成因的巖漿活動和以NE向斷裂為主的構造格架。工作區(qū)所屬的膠西北地區(qū)構造十分發(fā)育，區(qū)內斷裂主要為NE、NW及近東西向，是本區(qū)金礦的重要控(賦)礦構造。區(qū)域重力場和磁場宏觀上反映區(qū)內的區(qū)域構造格架、巖漿活動和地層展布特征，其走向呈NE-NEE，重力場強度變化大，具有南北成帶，帶內成塊分布的整體特征。

2.2 技術難點及分析

(1)采空區(qū)影響范圍鄰近的線位長1.3 km，影響面積約50×104m2，內部構造發(fā)育，埋深變化大(從十幾米到百余米)，空間分布較為復雜。

(2)工區(qū)分布于城鎮(zhèn)邊緣，附近存在的高壓線、道路等環(huán)境干擾，會對電磁類物探方法的數(shù)據(jù)質量造成一定影響。單一物探方法解釋缺乏足夠說服力，其探測結果可能存在較大誤差。

(3)綜合分析物探成果及地質調查資料，可以減小誤差，其平面布置見圖2。同時在物探異常處適當布置鉆孔，依據(jù)鉆探結果對物探成果資料進行復解，以提高解釋精度。

3 方法原理與應用研究

3.1 測氡法應用研究

氡屬于天然鈾放射系列，是一種放射性的惰性氣體。氡主要來自地下，在地殼中分布較分散，具有很強的向上運移能力。根據(jù)這一特性，對土壤中的氡進行測量，可實現(xiàn)采空區(qū)、裂隙地下水勘察、地面沉陷區(qū)勘察等。測氡法是一種放射性地球物理勘探方法，主要通過抽氣法、活性炭被動吸附等測量方式和相關的數(shù)理統(tǒng)計，來判定正常場和異常場，進而確定探測區(qū)域是否有斷裂或采空區(qū)存在。

采用FD-216環(huán)境測氡儀進行氡采集，測點點距20 m。為保證測量數(shù)據(jù)的一致性，在同一測區(qū)內應統(tǒng)一取樣方式，且取樣坑或取樣孔的深度、大小、形狀應盡量保持一致。深度一般為原狀土下20～30 cm，并確保同測點測量數(shù)據(jù)誤差在20%以內。測量前，用鋼釬進行打孔，孔徑大于2 cm。抽氣至密閉氣罐，氣罐中裝有帶靜電的薄膜采樣片，用來吸附氣罐中的氡氣。經(jīng)過2 min氡氣采集后開始測量，測量時間為5 min。為保證數(shù)據(jù)的可靠和穩(wěn)定性，應對氡氣濃度異常段及異常兩側進行檢查復測。

采空區(qū)一般會給氡氣提供良好的運移通道，采空區(qū)位置的土壤氡氣濃度往往會表現(xiàn)為相對的單、多峰值的高值弱異常。在本區(qū)，氡氣的整體分布規(guī)律與基底地層的埋深深度相對應，高值異常反映基底埋深較淺，低值異常則反映基底埋深較深，測區(qū)中部的條帶狀氡濃度高值異常與重力異常梯度帶相對應，為區(qū)內斷裂的反映。根據(jù)繪制的氡濃度分布及地質調查情況，該區(qū)域內存在斷裂F1、F2(見圖3)。

圖3 氡氣異常平面

3.2 重力法應用研究

重力法勘探是以萬有引力定率為基礎，利用地殼中不同巖(礦)石或地質構造與周邊環(huán)境之間的密度差異而引起的重力變化，得到有一定剩余質量地質體的重力異常，對重力異常進行定性或定量解釋，進而推斷覆蓋層以下地質體與巖層埋藏情況，借以查明區(qū)域地質構造的物探方法。儀器讀取的重力異常值不僅和地下地質體密度分布有關，還與測點高程變化、地形起伏，甚至地球形狀和自轉等因素有關。因此，在解釋前必須分離出單獨由勘探目標引起的異常，才能反映出由地下密度分布不均引起的重力異常。這就需要對觀測重力值作相關校正，其中，包括地形校正、中間層校正、高度校正、緯度校正以及固體潮校正等，得到的布格重力異常是最主要的重力數(shù)據(jù)。

本次研究中，先獲取測區(qū)范圍內的布格重力異常值，再將布格重力異常分解，通過不同方法、不同計算半徑的綜合對比分析，計算得到的布格重力剩余異常，用以解釋采空區(qū)的分布特征。采用2臺Burris型、3臺CG-5型重力儀，重力測點采用單程觀測法進行觀測，測線端點布設物理點，以保證邊部的測點密度，測點點距為20 m。

布格重力剩余異常見圖4。

圖4 布格重力剩余異常平面

由圖4可知，布格剩余重力異常最大值為0.53×10-5m/s2，最小值為0.38×10-5m/s2，中部存在重力低值異常，推測為采空區(qū)范圍。該區(qū)布格重力剩余異常具有如下特征：①局部重力異常的平面展布特征，局部重力高主要分布于工作區(qū)北部，局部重力低主要分布于工作區(qū)南部；②局部重力異常與斷裂的相關性，根據(jù)局部重力異常的平面分布規(guī)律可以看出，工作區(qū)中部及南部存在布格重力及布格重力剩余異常的梯度帶，反映該區(qū)域內存在的斷裂和測氡法較吻合；③由地質踏勘得知的民采淘金洞位置與布格剩余異常對比，其分布范圍與局部重力低值異常相對應，這也與采空區(qū)的低密度特征吻合。

3.3 地震映像法應用研究

地震映像法是根據(jù)最佳偏移距技術發(fā)展起來的一種地震反射波法，也稱高密度地震法或地震多波勘探。地震映像法在采集過程中，激發(fā)點和接收點沿著測線方向同步移動，利用地震縱波在地下介質中的傳播及動力學特征，對地震映像剖面波形、振幅強弱、頻譜信息進行分析，對淺層巖溶、采空及地層劃分等地質勘察問題均有良好的應用效果。當采空發(fā)育時，其波阻抗會明顯降低，在地震映像剖面上呈現(xiàn)出低速、低頻，即“低頻振蕩”等典型特征，其波形往往有錯斷、畸變或者繞射等不連續(xù)現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)波形周期變化異常。地震映像法的主要優(yōu)勢包括成本較低、方便靈活、數(shù)據(jù)采集高效、資料便于解釋等，但勘探深度有限，抗干擾能力較差。

在靈山蔣家金礦采空區(qū)勘探中，根據(jù)現(xiàn)場地質資料和實際情況，沿測區(qū)范圍內道路和農(nóng)田內開展工作。震源采用夯擊震源，質量為40 kg，采用美國Geometrics公司的NZ-24數(shù)字地震儀和14 Hz組合檢波器，采樣率為0.25 ms，記錄長度為256 ms，最小偏移距為2 m。

本區(qū)共完成地震映像17條剖面，其中，14條剖面同相軸連續(xù)，無明顯異常，3條測線剖面出現(xiàn)同相軸彎曲或斷裂、不連續(xù)現(xiàn)象以及繞射現(xiàn)象，如圖5所示。其中，ZY-11測線90～106 m(70 ms)附近；ZY-13測線80～94 m(70 ms)及144～154 m(70 ms)附近；ZY-17測線50～60 m(50 ms)、100～110 m(50 ms)及134～144 m(50 ms)附近可推斷為采空區(qū)。

3.4 天然源音頻大地電磁法應用研究

天然源大地電磁法是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的交變電磁場為場源的一種地球物理勘探方法。其通過觀測然電磁場的時間序列信號，然后將時間序列數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換轉化為頻率域數(shù)據(jù)，從而計算出每個頻點的電阻率值和相位阻抗，得到有關電分層、電阻率的橫向變化等信息，從而定性或定量地提供巖性變化、采空、構造異常等資料。

測線測點點距為25 m，共布置5個不極化電極，4個測量電極，1個接地電極。4個測量電極呈十字形布置，十字中心點為數(shù)據(jù)采集點，每兩個測量電極組成一個電偶極子，長度為25 m。指定線位大里程方向為北，分別布置與測線方向一致的電偶極子和與測線方向垂直的電偶極，磁棒Hx與線位平行且不接線端(尾部)朝北，磁棒Hy與隧道線位垂直且不接線端(尾部)朝東，同時保證兩根磁棒水平，埋深3～10 cm，并且與采集盒子的距離不小于5 m。

本區(qū)共完成12條天然源音頻大地電磁法測線，除AMT-1測線整體電阻率等值線連續(xù)性較好以外，其余11條測線都出現(xiàn)了一定程度的不連續(xù)甚至錯斷(如圖6所示)。其中，AMT-3測線在-20 m高程處的150～250 m段等值線連續(xù)性被切斷，相對兩側圍巖電阻率呈低阻分布，推斷該段為采空段落；AMT-6測線在-20 m高程處的0～50 m段等值線連續(xù)性較差，存在低阻條帶狀，推斷該段為采空段落；AMT-12測線在-20 m高程處的100～300 m段等值線連續(xù)性較差，存在相對低阻，推斷該段為采空段落。

4 綜合物探技術成果分析

基于以上分析，結合現(xiàn)場地形、地貌及已知地質資料和現(xiàn)場調查走訪的信息，對各測線物探剖面進行綜合解釋分析，剔除一些假異常或其他因素造成的異常，確定各測線異常段落，本次勘察采空區(qū)異常位置見圖7，黑色實線為本次勘探采空區(qū)邊界。在本次綜合物探勘察推斷的采空區(qū)范圍內，布置了若干鉆孔進行驗證。其中，ZCK-18(推斷49～64 m為采空)、ZCK-18-1(推斷31.5～59 m為采空)、ZCK-19(推斷40～68 m為采空)、ZCK-19-1孔(推斷52 m處為采空)鉆進過程中出現(xiàn)漏漿、卡鉆、反清水、鉆進快等明顯異?，F(xiàn)象，證實了存在采空現(xiàn)象。

圖6 AMT-3、AMT-6、AMT-12測線天然源音頻大地電磁法(AMT)物探成果

圖7 靈山蔣家金礦采空區(qū)勘察物探平面成果

5 結論

(1)應充分結合地質條件、環(huán)境干擾及各物探方法適用條件等因素，合理選擇物探方法，以期獲得良好的應用效果。

(2)應結合鉆探對物探資料進行綜合解釋分析，以建立動態(tài)異常解釋評價系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)可靠性。

(3)綜合物探技術可節(jié)省大量的鉆孔，提高了工作效率和勘察精度。