地球物理方法在帷幕注漿治水中的探測分析

魏海民，李星，孫幫濤，周勝，牛杰

(1.云南冶金資源股份有限公司,云南 昆明 650051; 2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖655011; 3.湖南五維地質(zhì)科技有限公司,湖南 長沙 410205)

0 引言

礦山井巷掘進(jìn)中，常見的危害之一就是井巷涌水，給工程施工帶來障礙，重則造成安全事故。毛坪鉛鋅礦地處云南彝良地區(qū)，灰?guī)r白云巖發(fā)育，地下水循環(huán)及地表水的滲流造成含水裂隙、溶洞發(fā)育；井巷掘進(jìn)過程中圍巖不穩(wěn)，安全隱患大，此外每年排水成本達(dá)上千萬元，給礦產(chǎn)開采帶來了重大的負(fù)擔(dān)。鑒于此，探明井巷附近的含水不良地質(zhì)體發(fā)育情況并對其進(jìn)行治理，是十分必要的。

目前應(yīng)用于地下水探測的物探手段包括：瞬變電磁法[1-2]、大地電磁法[3-5]、高密度電阻率法[6-7]、探地雷達(dá)[8]、核磁共振技術(shù)[9-10]、激發(fā)極化法[11-12]等。上述方法在探測地下水方面均取得了一定的效果，然而任何一種技術(shù)手段都有其不足之處。近幾年來中南大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出了等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)[13-14]，該方法的優(yōu)勢在于分辨率高、探測精度高、探測盲區(qū)小，然而其探測深度有限。常用的AMT法探測深度大，對于低阻地質(zhì)體識(shí)別能力強(qiáng)[15]，但是分辨率低，對于微小斷層響應(yīng)弱。本文將兩者的優(yōu)勢結(jié)合在一起，避其短取其長，應(yīng)用于毛坪礦區(qū)的帷幕注漿治水工程，有效查明了帷幕注漿工程軸線下方一定深度內(nèi)的含水通道，為后期帷幕注漿治水工程提供了目標(biāo)靶區(qū)，也希望為今后地下水探測及帷幕注漿工程探索新的技術(shù)方法手段。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

1.1 礦區(qū)地層及構(gòu)造

圖1 礦區(qū)地層、構(gòu)造及物探測線部署Fig.1 The formation，structure and location of geophysical survey line in the mining area

表1 礦區(qū)出露地層及主要巖性

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)

二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)地層和石炭系豐寧組萬壽山段(C1f1)地層主要巖性為砂、頁巖，隔水性能較好，但是在斷層的錯(cuò)動(dòng)下，隔水性能被改變。白云巖、灰?guī)r地層為溶蝕裂隙含水層，斷層破碎帶溶蝕裂隙發(fā)育，是含水層的主要富水帶。此外，地下水動(dòng)態(tài)變化屬氣象—水文型，地下水是礦坑的直接充水因素。

區(qū)內(nèi)含水?dāng)鄬又饕蠳W向斷層(F9～F11、F32、F37、F43～F46共9條，多為壓扭性，傾角陡)以及NE向斷層(F3、F5～F8、F23～F27、F36～F42、F50～F52等20條，屬層間破碎帶，走向30°～60°，傾角大于60°，規(guī)模大)，這兩組斷層的共性是連續(xù)性較好，地面部分破碎帶發(fā)育溶洞，出現(xiàn)泉水?？拥朗┕び龅降臄鄬?、裂隙中有70%以上具潮濕、滴水、滲流及涌水現(xiàn)象，表明該兩組斷層或?qū)娱g破碎帶導(dǎo)水富水性好，是礦坑充水的主要因素。F1斷層是區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的斷層，縱貫礦區(qū)，傾向東，傾角60°左右，是含水?dāng)鄬?，但不均?其富水性并不強(qiáng)，導(dǎo)水性差。

2 地球物理特征

開展工作前采集了礦區(qū)坑道及地表露頭中的標(biāo)本并進(jìn)行了物性測量，結(jié)果見表2。水的電阻率一般在20～40 Ω·m，礦區(qū)水礦化程度越高，電阻率值越低?？梢钥闯觯牧严?、溶洞及斷裂破碎帶比圍巖的電阻率要低，電性差異明顯，具備開展本項(xiàng)研究的物性條件。

表2 礦區(qū)巖石標(biāo)本物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 方法技術(shù)

3.1 OCTEM

傳統(tǒng)的瞬變電磁法是通過不接地回線向地下傳播一次場，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，觀測攜帶有目標(biāo)體地質(zhì)信息的二次場來實(shí)現(xiàn)探測地下目標(biāo)體的任務(wù)。然而常規(guī)的瞬變電磁法的接收線圈觀測到的不僅僅是二次場，還疊加了一次場的信號(hào)，造成淺部信號(hào)失真，帶來了淺部探測盲區(qū)[13]。 為了解決上述問題，中南大學(xué)席振銖科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了OCTEM法[14]，該法在裝置上進(jìn)行改進(jìn)，在上下平行共軸的兩個(gè)相同發(fā)射線圈中通以大小相等、方向相反的階躍電流，在兩個(gè)線圈的中間平面位置設(shè)計(jì)接收線圈接收信號(hào)(圖2)，由于接收線圈中穿過的一次磁通量始終為零，所以接收到的是地下渦流產(chǎn)生的純二次磁場，消除了淺部探測盲區(qū)的存在。

圖2 OCTEM裝置示意Fig.2 Sketch map of OCTEM

本次研究采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司與中南大學(xué)合作開發(fā)的HPTEM-08T型高精度瞬變電磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)垂直發(fā)射磁源、磁感應(yīng)接收傳感器、高速24 位采集卡以及高密度測量等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)坑道高精度瞬變電磁勘探。

數(shù)據(jù)采集參數(shù)：發(fā)送頻率25 Hz，最大發(fā)送電壓12 V，最大發(fā)送電流10 A，疊加次數(shù)300次，通過多次疊加平均壓制干擾，獲取電位衰減曲線。數(shù)據(jù)處理及反演采用儀器配套的HPTEM-08系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，處理流程如圖3所示。

圖3 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Flow chart of OCTEM data processing

3.2 AMT

AMT法利用天然電磁場信號(hào)作為激發(fā)場源，該電磁波垂直入射到大地介質(zhì)中產(chǎn)生與一次場同頻率的感應(yīng)電磁場[15]，引入波阻抗后有：

人巨細(xì)胞病毒感染與原發(fā)性高血壓相關(guān)性的研究進(jìn)展………………………… 楊迪虹，徐 媛，葛衛(wèi)紅（2·107）

本次工作使用德國Metronix公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GMS-07e電磁法儀，采用“十”字形布置方式采集不同方向的電、磁場信號(hào)，電場信號(hào)接收傳感器采用不極化電極。工作頻率范圍為1～131 072 Hz；由于受坑道空間限制，電道沿坑道方向布設(shè)，磁道垂直坑道方向布設(shè)，電極距為20 m。

AMT二維反演采用二維非線性共軛梯度法(nonlinear conjugate gradients，NLCG)[16-18]。

4 成果解釋

本次研究圍繞帷幕注漿軸線(906坑道中)和垂線(洛澤河?xùn)|)開展工作，測點(diǎn)部署采用測繩+羅盤的放點(diǎn)方式，其中OCTEM點(diǎn)距5 m，AMT點(diǎn)距10 m，具體測線部署見圖1。數(shù)據(jù)采集均在停電環(huán)境下開展，排除了50 Hz工頻干擾。

圖4給出了906巷道垂線電阻率反演斷面及異常綜合分析結(jié)果。該測線位于石門坎背斜北西翼，AMT反演結(jié)果反映地層傾向與地質(zhì)資料吻合(地質(zhì)資料顯示在850 m標(biāo)高以下地層向北西傾斜)。從AMT反演剖面(圖4a)上推測低阻異常體5個(gè)(A1～A5),從OCTEM反演剖面(圖4b)上推測出低阻異常體5個(gè)(T1～T5)；異常體形態(tài)突出，電阻率較周圍明顯偏低。結(jié)合地質(zhì)資料分析，上述異常體均處于泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg)內(nèi)，巖性主要為白云巖、灰質(zhì)白云巖，含水的斷裂、破碎帶的電阻率與圍巖相差較大，對比度明顯，因此，推斷剖面圖上明顯的、形態(tài)不規(guī)則的低阻異常區(qū)應(yīng)為斷裂、破碎帶或具一定規(guī)模的節(jié)理裂隙含水所致。綜合以上推斷并結(jié)合地質(zhì)資料，推測出2個(gè)綜合異常，分別為TA1、TA2(圖4c)。

圖4 906巷道垂線物探反演及異常綜合分析Fig.4 Geophysical inversion and comprehensive anomaly analysis of 906 roadway vertical line

異常體TA1由A1、A2組合及T1、T2組合構(gòu)成，這2個(gè)組合在空間位置上基本重合，位于35～270點(diǎn)之間，埋深在高程300～800 m，延伸較好，異常未封閉；推測該低阻異常由構(gòu)造帶Fw1引起，地表出露位置在310點(diǎn)附近。該構(gòu)造傾角較大，延伸較好，很好地貫穿了低阻異常體，兩邊電阻率梯度明顯。該區(qū)域120點(diǎn)附近已有鉆孔(水地3)揭露，表明該區(qū)域地表為近代填土及沖積堆積土，透水性好，地下深部為白云巖，多被泥質(zhì)、鈣質(zhì)物填充，節(jié)理裂隙較發(fā)育，弱富水性。已知構(gòu)造F1、F53、F54通過該區(qū)域，區(qū)域內(nèi)坑道鉆孔揭露，所有穿脈的水平孔都是垂直層間破碎帶施工的，大部分水平孔都涌水。結(jié)合以上地質(zhì)資料及物探成果，該低阻帶為導(dǎo)水通道，富水性強(qiáng)，綜合評(píng)價(jià)為一級(jí)異常。

A3、A4、A5組合及T3、T4、T5組合也呈條帶狀向下展布延伸，且在空間位置上重合，推斷為異常體TA2，位于470～635點(diǎn)之間，埋深為高程330～770 m，異常未封閉。該區(qū)域630點(diǎn)附近已有鉆孔(水地5)揭露，表明該區(qū)域地表為礫砂夾碎石土，透水性好，地下深部為白云巖與灰?guī)r互層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈閉合狀或泥質(zhì)填充，為弱巖溶裂隙含水段。區(qū)域內(nèi)有構(gòu)造F1、F25通過。結(jié)合以上地質(zhì)資料及物探成果，推測該低阻帶由構(gòu)造引起，構(gòu)造命名為Fw2。該構(gòu)造傾角較大，延伸一般，兩邊電阻率梯度較明顯，為水的流向起到通道作用，推斷其富水性強(qiáng)，綜合評(píng)價(jià)為一級(jí)異常。

圖5給出了906巷道軸線的物探反演及異常綜合分析結(jié)果，該測線位于石門坎背斜南東翼，測線沿90°方向布設(shè)于906巷道內(nèi)，AMT反演結(jié)果顯示地層傾向?yàn)闁|，與地質(zhì)資料吻合。AMT測深共推測異常體5個(gè)(A6～A10)，均在電阻率等值線形態(tài)扭曲變化之處。據(jù)OCTEM測深成果，共推測低阻異常體10個(gè)(T6～T15)。地質(zhì)資料顯示，該測線下方為泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg)地層，主要巖性是白云巖、灰質(zhì)白云巖、炭質(zhì)白云巖；根據(jù)礦區(qū)巖石物性特征，含水?dāng)嗔?、破碎帶及溶洞的電阻率比圍巖明顯較低，能夠引起明顯的低阻異常，因此推測上述異常含水可能性較大。

圖5 906巷道軸線物探反演及異常綜合分析Fig.5 Geophysical inversion and comprehensive anomaly analysis of 906 roadway axis line

綜合TEM和AMT解釋成果，結(jié)合地質(zhì)資料，在906巷道軸線下方推測綜合異常5個(gè)(TA3～TA7)。其中，TA3異常由T6、A6異常構(gòu)成，位于30～180點(diǎn)間，埋深為高程420～800 m，延伸較好，下方未封閉。TA3處于坑口位置，在AMT和OCTEM反演剖面上呈明顯低阻異常，坑口附近區(qū)域內(nèi)通過構(gòu)造F1、F25。結(jié)合地質(zhì)資料及物探成果，推測該低阻異?？赡苡蒄1、F25構(gòu)造相交錯(cuò)引起，富水性強(qiáng)，綜合評(píng)價(jià)為一級(jí)異常。

A7和T8、T9異常重合較好，綜合推斷為TA4異常帶，位于200～400點(diǎn)之間，埋深為高程500～820 m。通過已施工鉆孔(ZK1-ZK7)揭示，該區(qū)域坑道地表以下上部為白云巖，裂隙不發(fā)育，局部裂隙發(fā)育，偶見溶蝕小孔，漏水量??；中下部為炭質(zhì)白云巖與灰質(zhì)白云巖交替出現(xiàn)，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，多為方解石填充，局部有溶蝕現(xiàn)象，偶見溶孔，漏水量不大，標(biāo)高300～600 m之間出現(xiàn)破碎帶。結(jié)合地質(zhì)資料可知，F(xiàn)35斷層在物探420點(diǎn)附近垂直穿過坑道，因此推測TA4異常由構(gòu)造F35引起，局部具有一定的富水性，綜合評(píng)價(jià)為二級(jí)異常。

A8與T10異常在空間位置上重合，綜合推斷為TA5異常，位于530～600點(diǎn)之間，埋深在高程600～820 m之間。A9與T12、T13異常重合，綜合推斷為TA6異常，位于680～820點(diǎn)之間，埋深在高程480～820 m之間。但是，A8與A9異常在AMT反演剖面上電阻率扭曲程度較小，呈小幅度下凹趨勢，T10、T12、T13異常在OCTEM剖面上規(guī)模也較小，結(jié)合水文地質(zhì)資料，該區(qū)域坑道以下局部裂隙發(fā)育，偶見溶蝕小孔，漏水量小，因此TA5和TA6異?？赡苁枪?jié)理、小裂隙引起的含水通道，富水性一般，定為二級(jí)異常。

TA7異常呈明顯的條帶狀，位于測點(diǎn)820～1030點(diǎn)之間，埋深在高程180～900 m范圍，延伸范圍廣，連續(xù)性好，在電阻率反演剖面圖上未封閉，該異常中心處于含水層與隔水層交界處。結(jié)合以往地質(zhì)資料及物探成果，推測該低阻帶異常由構(gòu)造引起，構(gòu)造命名為Fw3，地表出露位置在860點(diǎn)附近。該構(gòu)造傾角大，延伸較好，很好地貫穿了低阻異常體，電阻率梯度明顯，為水的流向起到通道作用，推斷其富水性強(qiáng)，綜合評(píng)價(jià)為一級(jí)異常。

5 結(jié)論

1) 通過地球物理綜合研究分析，在研究區(qū)探明一級(jí)異常4個(gè)，它們一般是由斷層導(dǎo)致的破碎帶，與地表或地下水導(dǎo)通，為水流起到通道作用，富水性強(qiáng)。探明二級(jí)異常3個(gè)，是由含水性差的斷層或者層間節(jié)理和小裂隙引起的含水通道，局部含水，富水性一般。上述異常均可作為帷幕注漿治水的目標(biāo)區(qū)域。

2) 在兩種方法的反演剖面中，含水區(qū)域的電阻率等值線呈明顯下凹或封閉特性，表現(xiàn)為低阻，而且具有大傾角或直立的條帶狀特點(diǎn)。

3) OCTEM法能夠分辨出較小的含水節(jié)理或裂隙造成的低阻異常，AMT法能夠識(shí)別深度較大的含水破碎帶，兩者的結(jié)合對不良含水地質(zhì)體的探測效果明顯。

4) 單一的物探方法應(yīng)用于井巷探水，受到方法技術(shù)和施工條件等的制約，難以取得較好的效果。將多種物探方法用于帷幕注漿治水工程進(jìn)行綜合分析解釋，能夠作到優(yōu)勢互補(bǔ)，互相驗(yàn)證，是今后類似工程的發(fā)展方向。