高密度電法在石膏礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用研究

黃建權(quán)，李明陸，粟超良，李坤鵬

(湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南 長沙 410116)

1 引 言

石膏礦采空區(qū)是指石膏礦被采出后遺留下的空洞。礦體被采出后，自頂板巖層向上形成“三帶”[1]：垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶及彎曲帶。采空區(qū)給周邊人民生產(chǎn)生活造成重大的影響，如何有效探測采空區(qū)范圍以及埋深，顯得尤為重要，眾多學(xué)者對采空區(qū)進行研究。童力元等[2]對采空區(qū)探測方法、穩(wěn)定性評價、治理及質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)的國內(nèi)外研究進展做了詳細調(diào)研，并提出了進一步的研究方向；吳成平等[3]對采空區(qū)探測的地球物理方法進行了分類和介紹；王超凡等[4]地震CT引入對某金屬隱伏采空區(qū)進行探測，探測結(jié)果揭示了采空區(qū)和破碎帶，并被后期證實準(zhǔn)確；王俊茹等[5]介紹了應(yīng)用淺層地震方法探測采空區(qū)的野外工作、資料處理、解釋方法技術(shù)；張開元等[6]采用瞬變電磁法探測煤礦采空區(qū)：該方法分辨率高，能快速獲得中、深部地層的電性結(jié)果；程久龍等[7]總結(jié)了在地表淺部查找不良地質(zhì)體的方法：地質(zhì)雷達具有探測精度高及分辨率高的優(yōu)勢；高密度電法在采空區(qū)探測中發(fā)揮著重要的作用[8-10]，有效探測深度0～100 m，常用的對稱四級裝置測量需要在探測范圍兩側(cè)有一定延伸空間；綜合物探[11-15]在采空區(qū)探測中越來越受到重視，采用多參數(shù)綜合研究采空區(qū)空間展布，能夠取得較好的成果。

物探方法的選擇需要考慮地質(zhì)條件、背景噪音干擾、場地條件等因素。場地位于縣城周邊，人文噪聲干擾較嚴(yán)重，勘察區(qū)的西北側(cè)為邵東縣城居民密集區(qū)，東南側(cè)有邵水河阻隔，場地空間展布受限。地震CT具有高分辨率的優(yōu)點，但場地采空范圍較大，成本高；地震反射波法具有高分辨率的優(yōu)點，但場地位于縣城邊，炸藥的批復(fù)難度大，震動干擾較強，且局部采空埋深較淺，風(fēng)險較大，場地也受限，綜合成本較高；縣城邊電磁干擾較嚴(yán)重，瞬變電磁的純二次場被干擾，探測目標(biāo)30～70 m，瞬變電磁對淺層有一定的屏蔽作用，不利于分辨淺部采空區(qū)；地質(zhì)雷達易受電磁干擾，同時探測深度有限；高密度電法對稱四級裝置在西北側(cè)居民密集區(qū)以及東南側(cè)邵水河測線無法展布。綜上所述，常用的方法均受到一定條件的限制。

石膏礦采空區(qū)勘察首先要明確石膏礦層的空間展布情況，根據(jù)勘察區(qū)場地兩側(cè)空間展布受限的條件，本文采用高密度電法的單邊三級測深裝置。該裝置能有效獲取勘察區(qū)地下的地質(zhì)信息，有效深度為0～100 m，且具有探測精度高，效率較高，深部分辨率高等優(yōu)點，能夠有效探測石膏礦采空區(qū)分布范圍和埋藏深度。

目前，高密度電法的單邊三級測深裝置應(yīng)用較少，采空區(qū)的調(diào)查研究主要集中在煤礦采空，石膏礦采空區(qū)調(diào)查研究還比較少。因此，采用高密度電法的單邊三級測深裝置在石膏礦采空區(qū)的調(diào)查研究具有重要的意義。

2 地質(zhì)概況

場地地勢較平坦，地貌以構(gòu)造剝蝕崗地為主，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和前人地質(zhì)資料，由新至老地層有第四系全新統(tǒng)、下第三系地層，地層巖性由上至下分述如下：

2.1 第四系全新統(tǒng)(Qh)

1)素填土：雜色松散，主要成分是灰?guī)r碎石塊及黏性土，層厚0.8～4.8 m。

2)粉細砂：雜色，主要成分為石英粉細砂，局部夾少量黏性土及圓礫，沖積成因。

2.2 下第三系(E)

由鈣泥質(zhì)粉砂巖、石膏、泥巖等組成，為內(nèi)陸湖相沉積。

1)強風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖：棕褐色、灰綠色，泥質(zhì)、粉砂結(jié)構(gòu)、薄層～中厚層構(gòu)造，微波狀水平層理發(fā)育，偶見斜波狀層理。夾淺灰色鈣質(zhì)粉砂巖及灰綠色鈣質(zhì)黏土巖。含粒狀、斑點狀及纖維細脈狀石膏。厚10.50 m。

2)中風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖：灰綠、棕褐色、泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)、薄～中層狀構(gòu)造，水平層理及微波狀水平層理發(fā)育，偶見斜波狀層理。間夾深灰色薄層泥灰?guī)r及灰黑色黏土巖。含礫狀、花斑狀、細脈狀石膏。厚41.92 m。

3)Ⅱ1膏層：為膏質(zhì)泥巖、泥質(zhì)石膏巖，局部夾石膏。品位41.50 %～68.86 %，平均51.80 %，一般50 %左右。厚0.39～30.58 m，平均21.21 m。

4)Ⅱ2膏層：是礦段主采膏層，灰綠色硬石膏，局部常水化成石膏。品位61.46 %～75.29 %，平均68.33 %。厚2.57～19.93 m，平均厚15.02 m。

5)Ⅱ3膏層：為棕褐色硬石膏，局部水化為石膏。品位61.80 %～69.10 %，平均64.82 %。厚1.11～17.38 m。

6)Ⅱ4膏層：主要為泥質(zhì)石膏～硬石膏巖，夾泥質(zhì)硬石膏～石膏巖、泥質(zhì)石膏巖、膏質(zhì)泥巖，局部偶夾石膏。品位46.12 %～59.34 %，平均53.92 %。厚2.11～17.84 m，平均8.28 m。

7)中風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖：棕褐色，鈣泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，薄～中層狀構(gòu)造，微波狀水平層理發(fā)育，含礫狀、斑點狀、細脈狀石膏，巖石遇水易軟化，干后易開裂。

2.3 石膏礦產(chǎn)狀

石膏礦傾向南東115°～140°，傾角5°～15°。

3 巖石的電性特征

據(jù)實測資料、鉆孔驗證資料及以往工作物性資料，探測范圍內(nèi)的礦井、巷道及采空區(qū)均已充水，綜合得到各類巖土介質(zhì)的電性特征，詳見表1。

表1 巖土介質(zhì)的電性特征

巖土介質(zhì)的電性特征分析如下：石膏礦層與其圍巖在視電阻率上存在1.5～3.0倍的差異：石膏礦層為相對高阻層；其他地層為相對低阻層；采空區(qū)(充水)也為相對低阻層。采用高密度電法利用視電阻率差異探測石膏礦層中的采空區(qū)(充水)具備了良好的地球物理前提條件。因此，本次研究的重點是石膏礦層內(nèi)高電阻率中的低阻畸變。

4 工作方法及測線布置

4.1 工作方法

高密度電阻率法是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加穩(wěn)定電流場作用下，地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種物探方法。

圖1 單邊三級測深裝置示意Fig.1 Diagram of single-side three-stage sounding device

采用重慶地質(zhì)儀器廠DUK-2B型多功能電法儀，采用單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置進行測量。該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，供電電極B置于無窮遠處，參與測線上電極轉(zhuǎn)換的是N，M，A。測量時，N、M不動，A逐點向右移動，得到一系列由淺至深的測點；接著N、M、A同時向右移動一個電極，M、N不動，A逐點向右移動，得到另一系列由淺至深測點；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形斷面，其電極排列如圖1所示。

采用單邊三極排列剖面觀測系統(tǒng)，正反向剖面觀測，測點距離8 m，觀測20層數(shù)據(jù)，無窮遠極垂直測線走向，距離大于2 000 m。供電電流大于800 mA，供電電壓360 V，測量的最小電壓大于100 mV。

4.2 測線布置

測線布置遵循已知到未知的原則，走向南東，基本垂直石膏礦采空區(qū)的走向，且均通過已知采空區(qū)，從已知采空區(qū)地段提取異常特征，作為推斷解譯依據(jù)。場地空間展布受限，西北側(cè)靠近縣城房屋密集區(qū)，物探剖面無法穿越地段，東南側(cè)為邵水河。共布置了4條測線，線距50～100 m，點距8 m。

5 綜合地質(zhì)解釋

5.1 綜合地質(zhì)推斷分析

根據(jù)場地的巖土介質(zhì)的電性特征和已知采空區(qū)對應(yīng)相對低視電阻率剖面異常特征，對4條測線分析如下：

5線：已知采空區(qū)范圍位于16～30、46～51號電極，頂?shù)茁裆?5～70 m對應(yīng)有4處“V”字型或“U”字型的低阻異常。在已知采空范圍之外發(fā)現(xiàn)3處低阻異常：3～8號電極，頂?shù)茁裆?5～28 m發(fā)現(xiàn)一處“U”字型低阻異常，推斷為粉細砂；12～18號電極，頂?shù)茁裆?0～35 m發(fā)現(xiàn)一處寬緩“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)；33～40號電極，頂?shù)茁裆?0～60 m發(fā)現(xiàn)一處“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)。詳見圖2。

6線：已知采空區(qū)范圍17～51號電極，頂?shù)茁裆?0～65 m對應(yīng)有7處“V”字型或“U”字型的低阻異常。在已知采空范圍之外發(fā)現(xiàn)2處低阻異常:4～11號電極，頂?shù)茁裆?8～32 m低阻異常，推斷為粉細砂；54～57號電極，頂?shù)茁裆?5～75 m發(fā)現(xiàn)一處“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)。詳見圖3。

7線：已知采空區(qū)范圍30～53號電極，頂?shù)茁裆?5～70 m對應(yīng)有3處“V”字型或“U”字型的低阻異常。在已知采空范圍之外發(fā)現(xiàn)2處低阻異常：5～14號電極，頂?shù)茁裆?0～30 m發(fā)現(xiàn)一處寬緩“U”字型低阻異常，推斷為粉細砂；20～27號電極，頂?shù)茁裆?2～37 m發(fā)現(xiàn)一處“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)。詳見圖4。

9線：已知采空區(qū)范圍29～50號電極，頂?shù)茁裆?5～70 m對應(yīng)有3處“V”字型或“U”字型的低阻異常。在已知采空范圍之外發(fā)現(xiàn)3處低阻異常:1～12號電極，頂?shù)茁裆?5～25 m發(fā)現(xiàn)條帶狀低阻異常，推斷為粉細砂；16～21號電極，頂?shù)茁裆?2～35 m發(fā)現(xiàn)一處“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)；24～28號電極，頂?shù)茁裆?9～45 m發(fā)現(xiàn)一處“V”字型低阻異常，推斷為采空區(qū)。詳見圖5。

圖2 5線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.2 Comprehensive geological section of line5

圖3 6線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.3 Comprehensive geological section of line6

圖4 7線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.4 Comprehensive geological section of line7

圖5 9線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.5 Comprehensive geological section of line9

5.2 鉆孔驗證

鉆孔ZK4驗證5線3～8號電極的“U”字型低阻異常，布設(shè)在5線7～8號電極中間。鉆孔揭示0～2 m素填土，2～17.2 m粉細砂，17.2～23.8 m棕褐色硬石膏，23.8～85.6 m中風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。穩(wěn)定地下水位深2.3 m。

鉆孔ZK8驗證12～18號電極的低阻異常，鉆孔布設(shè)在5線15～16號電極中間。鉆孔揭示0～2.5 m素填土，2.5～9.5 m粉細砂，9.5～23.3灰綠色硬石膏，23.3～31.8采空區(qū)，31.8～48.6 m棕褐色硬石膏，48.6～64 m中風(fēng)化鈣泥質(zhì)粉砂巖。穩(wěn)定地下水位深2.7 m。

圖6 石膏礦采空區(qū)范圍綜合平面推斷Fig.6 Comprehensive plane inference map of gypsum mine goaf

綜上所述,從鉆孔揭示和已知采空范圍對應(yīng)的物探異常來看，采空區(qū)的異常為石膏礦層內(nèi)高電阻率中的低電阻率畸變，剖面上呈“V”字型或“U”字型的低阻異常。各測線起始位置的低阻異常由地層巖性引起，在采空區(qū)調(diào)查的實際工作中，首先要查明礦體空間展布，對于礦體之外的相似異常，注意判別異常的地質(zhì)可能。

5.3 綜合平面分析

根據(jù)4條剖面異常統(tǒng)計分析，得出新推斷采空區(qū)的范圍在原采空范圍的基礎(chǔ)上向兩側(cè)延伸：5線采空區(qū)向西北方向延伸約32 m，南東方向延伸約16 m，同時向西南方向延伸，范圍未知；6線采空區(qū)北西方向幾乎不變，南東方向延伸約56 m；其中7線采空區(qū)西北方向延伸約81 m，南東方向延伸約16 m；9線采空區(qū)向西北方向側(cè)延伸112 m，南東方向幾乎不變。詳見圖6。

6 結(jié) 論

基于本次研究工作獲得以下認識：

1)當(dāng)調(diào)查區(qū)有一定空間展布時，遇調(diào)查區(qū)兩側(cè)空間展布受限制的情況，采用高密度電法的單邊三級測深裝置，仍能有效獲取調(diào)查區(qū)的地質(zhì)信息，有效深度達0～100 m不等，且具有探測精度高，深部分辨率高等優(yōu)點。

2)探測結(jié)果與已知石膏礦采空區(qū)分布范圍和埋藏深度吻合，已知采空區(qū)之外得到鉆孔驗證，表明高密度電法的單邊三級測深裝置有效性，且探測分辨率較高。

3)新推斷采空區(qū)的范圍在原采空區(qū)范圍的基礎(chǔ)上向四周延伸，其中北西方向和南東方向延伸范圍可定量，北西方向靠近縣城，上覆地層較薄，應(yīng)優(yōu)先治理。

4)從鉆孔揭示和已知采空范圍對應(yīng)的物探異常來看，采空區(qū)的異常為石膏礦層內(nèi)高電阻率中的低電阻率畸變，剖面上呈“V”字型或“U”字型的低阻異常。