大地電磁法用于礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)的探測(cè)與預(yù)知

尹維民

（山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250013）

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)取得的長(zhǎng)足發(fā)展，微電子技術(shù)的技術(shù)更新升級(jí)也是日新月異，人們開(kāi)始逐漸關(guān)注大地電磁法在社會(huì)生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用和價(jià)值效益。特別是在國(guó)家地質(zhì)勘查和礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中，利用高密度電阻率法和淺層地震多道瞬態(tài)面波法相結(jié)合的綜合檢測(cè)技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的推廣應(yīng)用。在與傳統(tǒng)檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最終得到應(yīng)用大地電磁法（AMT）和高密度電阻率法相結(jié)合的綜合檢測(cè)技術(shù)對(duì)礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，更加高效。

1 礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境分析

1.1 水文地質(zhì)條件

較多種類(lèi)礦區(qū)范圍內(nèi)地下水類(lèi)型分為上層滯水和潛水。區(qū)間下穿大營(yíng)坡批發(fā)市場(chǎng)段地下穩(wěn)定水位埋深約3.7～6.2m，位于礦洞拱頂以上9.6～11.7m。礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地層賦水性差異較大，巖溶地區(qū)地下水受構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖溶洞（隙）及管道控制，分布不均勻，規(guī)律性差的特點(diǎn)，對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)影響較大。

1.2 其他不良地質(zhì)狀況

根據(jù)先期礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境詳勘報(bào)告分析，礦區(qū)內(nèi)部主要存在的不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有巖溶和穿越斷層。

（1）區(qū)間范圍地層褶皺強(qiáng)烈，斷裂復(fù)雜，巖溶地貌面起伏平緩，巖溶地質(zhì)條件甚為復(fù)雜，礦井內(nèi)部白云巖、灰?guī)r廣泛分布，現(xiàn)狀地表為植被及既有路面及建（構(gòu)）筑物，地表巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為巖層表面發(fā)育溶孔、溶隙、溶洞。地下巖溶形態(tài)主要以溶洞、溶溝（槽）、溶蝕裂隙為主，巖體內(nèi)主要為溶孔、垂直溶洞（隙）、溶蝕破碎帶，發(fā)育形態(tài)呈單個(gè)狀或巖溶管道。溶洞被粘土或角礫充填，呈全或半充填狀態(tài)，局部為空洞。本區(qū)間勘察取孔58處，經(jīng)鉆探揭露，遇溶洞（隙）鉆孔17個(gè)，遇溶洞率29.3%，為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)[1]。

（2）區(qū)間穿越兩條斷層，斷層兩側(cè)巖體表現(xiàn)一般呈現(xiàn)破碎狀，巖溶較發(fā)育，均具有富水性。我國(guó)礦區(qū)開(kāi)發(fā)中常用的巖溶塌陷區(qū)探測(cè)方法及實(shí)際應(yīng)用如表1所示。

表1 巖溶塌陷區(qū)不同探測(cè)方法及應(yīng)用

2 大地電磁法（AMT）瞬變電磁工作原理

高密度電阻率法是以電剖面法和電測(cè)深法為基礎(chǔ)的一種陣列勘探方法，是通過(guò)檢測(cè)地下介質(zhì)傳導(dǎo)直流電流的能力的差異來(lái)反演地下介質(zhì)的物探新方法[2]。通過(guò)軟件控制一條電纜上的布置的多個(gè)電極（幾十至上百），使其組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)或不同深度下多個(gè)電測(cè)剖面，可實(shí)現(xiàn)多種電極排列組合方式，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化[3]。探測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)軟件處理后，可以自動(dòng)生成圖像，綜合分析便可以得知地層剖面的詳盡地質(zhì)信息，大地電磁法（AMT）瞬變電磁充放電時(shí)間特性如圖1 所示。

3 礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)域勘探處理

3.1 洞內(nèi)超前探測(cè)

當(dāng)?shù)孛娌痪邆涮幚項(xiàng)l件時(shí)，可采用礦區(qū)內(nèi)部探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)溶洞前方地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，先可以采用HSP 系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)以滾刀破巖震動(dòng)作為震源進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合前期詳勘、補(bǔ)勘地質(zhì)資料，對(duì)溶洞前方巖層整體性和含水性進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)與評(píng)價(jià)。根據(jù)區(qū)間左右線洞內(nèi)超前探測(cè)及對(duì)比驗(yàn)證情況分析，采用HSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)基本與地面專(zhuān)項(xiàng)巖溶勘察作業(yè)成果相互吻合，證實(shí)了HPS法準(zhǔn)確有效。

3.2 大地電磁法（AMT）瞬變電磁技術(shù)運(yùn)用

（1）通過(guò)電阻率測(cè)試建立礦區(qū)的地層巖土體模型。電阻率數(shù)值從大到小依次為白云巖＞灰?guī)r＞石英砂巖＞砂礫層＞玄武巖＞粘土＞砂質(zhì)粘土，體現(xiàn)出各類(lèi)巖土體電性差異明顯[5]。

（2）利用大地電磁測(cè)深開(kāi)展礦區(qū)地質(zhì)剖面探測(cè)。判識(shí)出方向走向的活動(dòng)斷裂，及時(shí)圈定拉裂槽以及巖溶斷陷區(qū)，基本可以查明礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)域的空間電性特征。推測(cè)結(jié)果將會(huì)表明，礦區(qū)巖層結(jié)構(gòu)從地表到深部依次為砂質(zhì)粘土層—砂礫層—溶蝕(破碎)灰?guī)r—完整基巖(灰?guī)r)層四層，滑坡區(qū)段主要為溶蝕(破碎)灰?guī)r—完整灰?guī)r兩層。

（3）確定了礦區(qū)巖溶區(qū)域的結(jié)構(gòu)特征。得出溶蝕(破碎)灰?guī)r層與完整基巖(灰?guī)r)層的界面是否為主滑動(dòng)面，滑面平均埋深的長(zhǎng)度范圍，便可計(jì)算出巖溶體積等參數(shù)[6]，礦區(qū)所含各類(lèi)礦石電性參數(shù)如表2所示。

表2 各類(lèi)礦區(qū)礦石電性參數(shù)

3.3 大地電磁法（AMT）礦區(qū)工作布置及工作參數(shù)

使用大功率多功能電磁法系統(tǒng)，采用TM 標(biāo)量測(cè)量方式，場(chǎng)源為電性源，在平行于場(chǎng)源中垂線兩邊張角各30°的扇形區(qū)域內(nèi)的遠(yuǎn)區(qū)逐點(diǎn)觀測(cè)電場(chǎng)分量EX和與之正交的水平磁場(chǎng)分量HY振幅和相位，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞視電阻率和阻抗相位。工作技術(shù)參數(shù)：工作頻率0.25～8192Hz，收發(fā)距大于10km，供電電流大于12A，勘探深度大于1500m。視電阻率均方相對(duì)誤差Mρs小于±3.89%，相位均方誤差εφ小于±16mrad[7]。

3.4 礦區(qū)超前鉆注處理重難點(diǎn)

（1）超前地質(zhì)鉆機(jī)安裝在管片安裝機(jī)上，與管片安裝機(jī)管片抓舉頭相對(duì)保持180°位置，首先底座加工與安裝，底座鋼板為70mm 厚，焊接在安裝機(jī)上，焊接過(guò)程中要間斷焊接，控制焊接件溫度，防止損傷到安裝機(jī)回轉(zhuǎn)軸承塑料保持架。

（2）提前根據(jù)圖紙確定預(yù)留管道角度，鉆機(jī)鉆進(jìn)前把鉆機(jī)角度調(diào)整與預(yù)留管匹配對(duì)孔，同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中關(guān)注參數(shù)變化和異響，保證角度正確。避免鉆機(jī)角度和盾構(gòu)機(jī)預(yù)留管道角度不匹配，會(huì)造成鉆桿損傷，鉆孔失敗。

（3）鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，鉆桿鉆進(jìn)要經(jīng)常反復(fù)回拉鉆桿，保證鉆孔有足夠的擴(kuò)挖量，對(duì)排渣球閥的出渣進(jìn)行收集分析，進(jìn)而確定地質(zhì)情況，如巖溶和不良發(fā)育地層等。

3.5 礦區(qū)超前鉆注處理實(shí)施

（1）為保證作業(yè)空間和作業(yè)安全，根據(jù)超前鉆機(jī)的尺寸和鉆進(jìn)一根拆卸安裝時(shí)需要的場(chǎng)地，油缸行程1500～1800mm 時(shí)停機(jī)。中盾、盾尾注入膨潤(rùn)土，避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)抱盾體情況。

（2）先安裝鉆機(jī)角度調(diào)整基座，基座安裝后，通過(guò)10t 手拉葫蘆把鉆機(jī)安裝在基座上。鉆機(jī)安裝完成后進(jìn)行對(duì)控制柜調(diào)試，檢查電路、液壓系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等是否正常。

（3）根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中揭示地質(zhì)情況，主要通過(guò)鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩等變化情況，同時(shí)輔助渣樣分析判定鉆進(jìn)地質(zhì)情況，當(dāng)施工鉆進(jìn)扭矩變小同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中渣土為黃泥漿時(shí)，判定施工鉆進(jìn)段為巖溶破碎區(qū)（溶洞）。

（4）初始鉆孔深度2～4m后，暫停鉆進(jìn)。進(jìn)入注漿狀態(tài)，沖洗球閥切換至注漿，在已經(jīng)完成的鉆孔深度范圍內(nèi)預(yù)注膨潤(rùn)土，填充盾體與地層之間的縫隙。完成膨潤(rùn)土填注后，沖洗球閥切換回沖洗狀態(tài)，繼續(xù)超前鉆孔，直至達(dá)到計(jì)劃孔深，沖洗球閥切換至注漿，注漿的同時(shí)鉆機(jī)緩慢正向旋轉(zhuǎn)，并在鉆機(jī)的整個(gè)行程范圍內(nèi)做進(jìn)、退往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（5）注漿漿液主要采用水泥漿及雙液漿。注漿過(guò)程中主司機(jī)關(guān)注土倉(cāng)壓力變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)土倉(cāng)壓力持續(xù)隨著注漿增長(zhǎng)，需要停止注漿，同時(shí)攪動(dòng)刀盤(pán)，防止?jié){液在刀具周邊凝固，最后造成糊刀及刀具偏磨可能情況。

3.6 超前鉆注處理效果驗(yàn)證

注漿完成4～5h后，重新針對(duì)已進(jìn)行注漿加固孔進(jìn)行鉆孔檢查，主要通過(guò)鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩及渣樣進(jìn)行分析注漿加固效果，鉆孔2～4m主要是充填膨潤(rùn)土，因此鉆進(jìn)速度較快，渣樣主要為膨潤(rùn)土泥漿，根據(jù)鉆進(jìn)該孔鉆進(jìn)記錄情況，鉆進(jìn)破碎段（溶洞）顯示出渣為中風(fēng)化白云巖以及水泥塊證明加固效果良好。針對(duì)礦區(qū)巖溶區(qū)加固段復(fù)推后做好參數(shù)記錄，通過(guò)掘進(jìn)推力、扭矩、速度等主要參數(shù)指標(biāo)及時(shí)與巖溶破損段（溶洞）施工參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析并反饋。

4 結(jié)論

綜上所述，大地電磁法（AMT）采用大電流供電，極大地提高信噪比，增強(qiáng)分辨率，增大礦區(qū)勘探深度，是當(dāng)前采礦工程及地?zé)峥碧绞走x的物探方法，可快速準(zhǔn)確查明斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、延深情況及地層電性結(jié)構(gòu)分布情況，反映礦產(chǎn)埋深和厚度，為地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)起到較好的指導(dǎo)作用，同時(shí)也可以為資源勘探的礦政管理提供科學(xué)依據(jù)。