高密度電阻率法在太行山北段鐵礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用

邵長奎, 薛園園, 喬建龍, 張 偉,王 林,任冠松, 張明陽, 田達(dá)志

(1.中國地質(zhì)工程集團(tuán)有限公司,北京 100093;2.中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)有限公司,北京 100082;3.保定理工學(xué)院 資源與工程技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071000;4.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院,河北 保定 071000)

0 引言

勘查區(qū)云寨頂鐵礦位于河北保定徐水區(qū)云寨頂山,其所處東釜山鄉(xiāng)為遠(yuǎn)近聞名的石材生產(chǎn)和加工產(chǎn)地,其礦山開采歷史悠久。與青白口系板巖石材露天礦山伴生的,是產(chǎn)于該地層內(nèi)的變質(zhì)型鐵礦,其產(chǎn)出特征明顯,大多呈“透鏡狀”、“漏斗狀”,百姓稱之為“雞窩狀”,產(chǎn)于青白口系下馬嶺組底部,以薊縣系鐵嶺組頂部侵蝕面為底界,其礦體品位變化較大、儲量小,以礦化點(diǎn)、礦點(diǎn)為主[1]。礦山開采及加工業(yè)做為該區(qū)域支柱性產(chǎn)業(yè),為徐水區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn),同時也由于礦山長時間無序開采和粗放型管理,對當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成了十分嚴(yán)重的破壞。云寨頂鐵礦屬2015年前政策性關(guān)閉礦山,但持續(xù)多年的礦山開采活動,在該區(qū)域地下形成了諸多的井巷工程和小窯采空區(qū),多采用房柱式開采,殘留有支撐柱,局部填充有板巖廢渣。近幾年,研究區(qū)上部地面發(fā)生不連續(xù)變形,其上的重要建(構(gòu))筑物產(chǎn)生諸多裂縫。經(jīng)現(xiàn)場勘查,確由無序開采形成的采動邊坡和小窯采空區(qū)所致。由于多處小窯采空區(qū)塌陷,局部巷道有不同程度充水,現(xiàn)狀已無法進(jìn)入,小窯采空區(qū)的具體規(guī)模和分布不詳。崩塌、采動邊坡失穩(wěn)以及小窯采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害隱患的危險性較大,嚴(yán)重影像上部重要建(構(gòu))筑物的安全。因此,對于開采鐵礦所形成的隱蔽小窯采空區(qū)的詳細(xì)勘查非常重要。

高密度電阻率法是為快速、無損解決工程地質(zhì)問題而發(fā)展出的工程地球物理勘探方法之一,它綜合了電剖面法與電阻率法兩種方法的勘探優(yōu)點(diǎn)。作為電阻率法中的一種,高密度電阻率法裝置形式組合更加多樣,具有數(shù)據(jù)采集信息量大、觀測及探測精度高、地質(zhì)信息更為豐富、工作效率高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于解決地質(zhì)和構(gòu)造[2]、水文地質(zhì)[3]、環(huán)境地質(zhì)及工程災(zāi)害地質(zhì)等各種地質(zhì)勘察領(lǐng)域[4]。前人的研究和實(shí)踐表明,高密度電阻率法對礦區(qū)采空區(qū)勘測具有較高的實(shí)用性[5-7]。為此,選取高密度電阻率法對云寨頂鐵礦開采形成的采動邊坡和小窯采空區(qū)進(jìn)行了探測。結(jié)果表明,高密度電阻率法對小窯采空區(qū)勘測具有較好的效果,為后續(xù)小窯采空區(qū)及采動邊坡治理工程設(shè)計提供了有利的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造

勘查區(qū)位于保定市徐水區(qū)云寨頂,屬徐水區(qū)西部丘陵山區(qū)及其山麓地帶,大地構(gòu)造位置處于太行山東坡斷隆帶,區(qū)域發(fā)育有多條小型正斷層,呈NE向或NNE向展布。研究區(qū)東部為太行山山前斷裂帶,為分隔山西斷隆與華北斷坳的斷裂帶,區(qū)內(nèi)主要隱伏斷裂為定興—石家莊斷裂和徐水?dāng)嗔裑8]。研究區(qū)內(nèi)未見有斷層發(fā)育,其北部約800 m處發(fā)育有一NNE向的正斷層,延伸距離4 km以上,屬新華夏系構(gòu)造體系,見圖1。

1.2 地層

研究區(qū)所處的云寨頂出露地層特征顯著,表層出露情況見圖2,下伏基巖見圖3,下部出露地層為中元古界薊縣系鐵嶺組(Jxt),巖性主要為白云巖(含透鏡狀燧石,局部微含錳)。上伏地層出露新元古界青白口系下馬嶺組(Qnx),巖性以雜色頁巖為主,夾有板巖,東釜山附近下馬嶺組以大型“漏斗狀”為主,底部以灰黃色鐵質(zhì)碎石角礫巖、赤鐵礦與下伏的鐵嶺組地層為平行不整合接觸關(guān)系。礫石的磨圓度、分選性均一般,排列形式呈雜亂狀,含量占比30%～50%,基底式膠結(jié),主要成分為硅質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物,礫石間充填有少量的粉砂級石英。赤鐵礦層呈透鏡狀,以單體形式組成底部鐵礦化層位[1]。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)圖

圖3 下馬嶺組與鐵嶺組不整合面上的“大型漏斗”剖面圖(據(jù)1∶20萬地質(zhì)圖說明書保定幅修改)

鐵礦為小窯采空區(qū)內(nèi)主要開采礦種,鐵礦層位穩(wěn)定,均產(chǎn)于青白口系下馬嶺組底部,其底板以薊縣系鐵嶺組頂部侵蝕面為界,頂板主要為熱變質(zhì)頁巖、板巖等。房柱式開采殘留有板巖支撐住,并于采空區(qū)邊部填充有板巖廢渣。開采后形成的小窯采空區(qū)及采動邊坡均位于下馬嶺組,其埋深大多介于30～50 m之間。鐵礦礦體呈透鏡狀,厚度為0～8 m,平均厚度僅為1.75 m,向西南端逐漸變薄而尖滅。礦石主要為鐵礦化板巖,有用礦物以磁鐵礦、赤鐵礦為主,脈石礦物則主要是黏土礦物等。鐵礦呈散點(diǎn)狀散布于礦石之中,部分為塊狀、脈狀,礦石平均品位為Tfe 33.72%[9],見圖3。

2 小窯采空區(qū)高密度電阻率勘查

2.1 基本原理

高密度電阻率法是電法勘探的一種,其基本原理流程為“加密電極布設(shè)—連接電極至程控式多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)—信號傳輸—測量結(jié)果存儲—原始測量數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)處理—異常圈定和解譯”[10-11]。電阻率法是以地殼中巖(礦)石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),通過觀測和研究所建立的穩(wěn)定電流場在地下的分布規(guī)律,從而得到正常區(qū)和異常區(qū)數(shù)據(jù),完成給地殼局部的“體檢”[12]。高密度電法和常規(guī)電法一樣,通過A、B電極向地下供入電流I,在M、N極間測量電位差ΔV,應(yīng)用物理公式ρ=K·ΔV/I(式中K為裝置系數(shù)),從而可求得該點(diǎn)(M、N的中點(diǎn))的電阻率。工作原理見圖4[13]。

圖4 高密度電阻率法工作原理圖

研究區(qū)內(nèi)高密度電阻率勘查以鐵礦小窯采空區(qū)與基巖、圍巖的電性差異為基礎(chǔ),據(jù)其填充和電性差異探測小窯采空區(qū)發(fā)育范圍。如果小窯采空區(qū)僅被空氣所填充,其測得電阻率會顯著高于圍巖;如果其局部甚至全部充水,其電阻率則會明顯低于圍巖;如果小窯采空區(qū)發(fā)生塌陷,其電阻率則呈現(xiàn)中低阻異常。同理,當(dāng)有裂隙、斷層以及破碎帶發(fā)育時,淺部一般會產(chǎn)生極低阻異常,這是由于構(gòu)造破碎帶下部仍為頁巖、板巖隔水層,破碎帶富含水有關(guān)[6,13](圖5)。

圖5 已知鐵礦小窯采空區(qū)開采現(xiàn)狀

2.2 工作方法

本次野外物探工作所使用的儀器設(shè)備為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所開發(fā)研制的 WGMD-4型高密度電法系統(tǒng)[14],該電法系統(tǒng)以 WDJD-4 型多功能數(shù)字直流激電儀做為測控主機(jī),搭配以多路電極轉(zhuǎn)換器構(gòu)成[15-16]。該系統(tǒng)具有儀器操作方便、測量快速且準(zhǔn)確以及存儲數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn),并且可便捷地與國內(nèi)常用高密度電法處理軟件相互配合使用,使解譯工作既方便又直觀[17]。

野外數(shù)據(jù)采集以溫納α裝置為主,輔助以溫納β裝置和溫納γ裝置,點(diǎn)距為3 m(測點(diǎn)編號3、6、9……285,電極距0～285 m),采集道數(shù)為120,單排列長度為285 m,最大間隔系數(shù)為29,供電電壓為288 V。待參數(shù)設(shè)置并檢查好,完成測線的布設(shè),打開所有必要的電源開關(guān)后,在電腦程序的控制下,探測數(shù)據(jù)的采集以及存儲將自動完成,采集過程中需實(shí)時觀察對比數(shù)據(jù)質(zhì)量,必要時需采取相應(yīng)措施以確保所采集的數(shù)據(jù)的可靠性[6,18-20]。

2.3 工作布置

以采空區(qū)和上部居民點(diǎn)構(gòu)筑物為重點(diǎn),在影響建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性的范圍內(nèi),結(jié)合地形特點(diǎn)、干擾種類及施工可行性,在已開裂的構(gòu)筑物所在邊坡布設(shè)物探剖面,主要排查區(qū)域內(nèi)隱蔽性未知采空區(qū),兼顧了解構(gòu)造及地下水發(fā)育情況。因已開裂的構(gòu)筑物南側(cè)邊坡坡度大,挖損破壞嚴(yán)重,對構(gòu)筑物威脅較大,故集中設(shè)計物探剖面。在構(gòu)筑物以西設(shè)計穿越云寨頂山脊的剖面,在其北側(cè)邊坡布設(shè)與溝谷相交的物探剖面,主要驗(yàn)證有無構(gòu)造破碎帶及其地下水分布情況,兼顧排查未知采空區(qū)。在道路兩側(cè)布設(shè)物探剖面,主要了解構(gòu)造發(fā)育情況、隱蔽性采空區(qū)、巖石破碎情況。物探剖面編號均以W開頭,剖面編號與測點(diǎn)編號遵循“南小北大、西小東大”的原則,共計布設(shè)物探剖面7條(圖6)。

圖6 研究區(qū)工作布置圖

2.4 數(shù)據(jù)處理

將現(xiàn)場所采集的原始數(shù)據(jù)及時傳輸至電腦,采用瑞典 Geoelectrical 公司的 Res2dinv 二維高密度電阻率法測量數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先,將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要包括轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式,剔除數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)、壞點(diǎn),拼接和保留數(shù)據(jù)以及校正地形。在數(shù)據(jù)處理過程中,對同剖面的溫納α、溫納β、溫納γ采集數(shù)據(jù)均進(jìn)行處理,用溫納β和溫納γ采集數(shù)據(jù)處理結(jié)果對溫納α采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。其次,根據(jù)現(xiàn)場采集其他資料對比分析,選擇適合的計算參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。由現(xiàn)場測得的原始數(shù)據(jù)做為正演數(shù)據(jù),采用最小二乘法計算,確定基巖電阻率的分布。最后,將反演數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,利用軟件繪制圖件,包括電阻率等值線反演圖、成果解譯圖[6,21-22]。

3 異常特征及推斷解譯

根據(jù)場地地質(zhì)環(huán)境條件及研究目的,本次高密度電阻率法工作共布設(shè)并完成勘查剖面7條,依次編號為W01～W07,各測線方位角大小不一。剖面的布設(shè)以重要構(gòu)筑物平臺為核心展開,各剖面勘查目標(biāo)各有側(cè)重,剖面異常解釋以此為基礎(chǔ),將側(cè)重點(diǎn)相同的剖面按地段分別解釋。

3.1 W01～W03測線異常推斷解譯

W01～W03 高密度電法剖面位于構(gòu)筑物漿砌石平臺的南側(cè)邊坡與陡崖之間,既為了驗(yàn)證高密度電阻率法對于兩構(gòu)筑物連線方向上已知采空區(qū)的反映,亦可檢查有無其他未知采空區(qū)。因此,沿半山腰處由南向北依次布設(shè)3條平行的電法剖面W01、W02、W03,剖面方位角均為110°,與采動邊坡BP2近乎平行,其反演結(jié)果見圖7。

圖7 W01～W03測線高密度電阻率反演斷面圖

結(jié)合W01～W03測線反演斷面圖可知,表層埋深0～25 m之間呈現(xiàn)出低電阻率異常特征,電阻率值大多小于50 Ω·m,局部呈現(xiàn)極低電阻率特征,為第四系邊坡坡殘積覆蓋層的電阻率反映,且富含孔隙水。W02、W03測線地表零星分布有電阻率300 Ω·m 左右的高阻,為第四系坡殘積覆蓋層局部頁巖、板巖巖塊增多導(dǎo)致(圖7、圖8)。

圖8 采空區(qū)位置剖面圖

W02、W03測線高密度電阻率反演斷面圖顯示,在W02測線99～147 m (33～49號電極)、W03測線96～120 m (32～40號電極) 埋深480～510 m之間,有中低阻異常,異常呈近南北走向,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,該段范圍內(nèi)為已知的小窯采空區(qū)(CK3),采空區(qū)已基本垮塌,由圖3、圖8可知,其賦存位置符合“漏斗狀”鐵礦的產(chǎn)出特點(diǎn)。該小窯采空區(qū)局部被板巖廢渣支撐且局部被水充填,導(dǎo)致出現(xiàn)中低阻異常。該處的采動邊坡和采空區(qū)對于上部建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性影響較大。

W01測線150～195 m(50～65號電極)、W02測線138～195 m(46～65號電極)、W03測線159～207 m(53～69號電極)下方埋深30 m以上出現(xiàn)高電阻率異常,電阻率值普遍大于3000 Ω·m,異常呈NE向展布,與3條測線走向幾近垂直。該異常與現(xiàn)場勘查所揭露的小窯采空區(qū)CK4的位置和走向基本吻合,內(nèi)未見積水,推斷為采空區(qū)導(dǎo)致的高阻異常。在W02測線的174～186 m (58～62號電極)范圍內(nèi),高阻異常向上端翹起,上部界面埋深逐漸變淺。這是由于已知小窯采空區(qū)CK4進(jìn)入20 m左右后,巷道分為兩條支巷,其中一條由平巷逐漸發(fā)展為向上開采的斜巷,由此引起了異常的上翹。此位置的采動邊坡和采空區(qū)對于上部建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性影響非常大,后期治理中應(yīng)著重考慮。

W01～W03測線225～279 m (75～80號電極)呈現(xiàn)橢圓狀的高電阻率異常特征,電阻率值一般大于3000 Ω·m,經(jīng)現(xiàn)場勘查,該段為采動邊坡BP3坡腳的部分已知的小窯采空區(qū)CK5,由于該采空區(qū)開采時距自然邊坡地表相對較近,開采后以板巖支護(hù)硐口,后由于廢渣傾倒以及局部垮落,引起局部的中高阻異常(W02測線)。該采動邊坡和采空區(qū)對于上部建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性具有一定影響。

3.2 W04～W07測線異常推斷解譯

結(jié)合現(xiàn)場勘查情況可知,構(gòu)筑物穩(wěn)定性主要受南、西、北三個部位的影響,南端已布設(shè)W01～W03測線。因此,將測線W04～W07測線布設(shè)于構(gòu)筑物漿砌石平臺的西部和西北部。

測線W04與W05近垂直布設(shè),從異常特征斷面來看,以云寨頂山脊(W04測線84 m和W05測線54 m)為界,兩條測線低電阻率異常均呈近“八”字形展布,“八”字形低電阻率異常中間夾有高阻異常,該位置為重要構(gòu)筑物的電阻率反映,由于構(gòu)筑物下部基礎(chǔ)開挖較深,并以混凝土澆筑,從而形成高阻異常特征。低電阻率異常表明第四系坡殘積覆蓋層至下伏隔水層含水率較大,這是由于該區(qū)域?yàn)樾陆衣兜腘E向裂隙破碎帶。隨著雨水的滲流,第四系坡殘積覆蓋層含水率變大,且下伏地層巖性為隔水層—青白口系下馬嶺組頁巖、板巖,導(dǎo)致第四系覆蓋層至下伏隔水層電阻率變低。當(dāng)降雨量增大時,下伏隔水巖層以上部含水率飽和后,雨水便在隔水層上方沿裂隙破碎帶分別向山脊南北兩側(cè)運(yùn)移,造成含水率升高,低電阻率異常規(guī)模逐漸變大,“八字形”低電阻率異常將更加明顯,見圖9。

圖9 W04～W07測線高密度電阻率反演斷面圖

從W06測線看,以云寨頂山脊為界,其南北兩側(cè)存在低阻異常 (18～57 m),雖異常特征沒有測線W04、W05的典型,但仍可看出具有測線W04、W05中水流運(yùn)動的規(guī)律特征,其下部的低電阻率異常性質(zhì)和特征與之相同。該區(qū)域水沿著裂隙破碎帶滲流的運(yùn)動規(guī)律,導(dǎo)致了局部水的富集,這也是小窯采空區(qū)CK2、CK3內(nèi)部局部積水的原因所在。

由測線W07反演斷面圖可知,測線69～129 m (23～43號電極)和159～222 m (53～74號電極)分別存在一處高阻異常,此為中深部弱風(fēng)化基巖隔水層的電阻率反映。 兩個高阻異常上部均發(fā)育有厚度較大的低電阻率異常,且兩高阻異常之間為漏斗狀中低阻異常,該位置為W07與W05測線的交匯段,為同一裂隙破碎帶導(dǎo)致地下含水率變化的反映。

4 結(jié)論

(1)綜合現(xiàn)場勘查,表層呈現(xiàn)低電阻率異常特征,電阻率一般小于50 Ω·m,局部出現(xiàn)極低阻,為第四系坡殘積覆蓋層富含孔隙水的電阻率反映。第四系坡殘積覆蓋層零星分布有電阻率300 Ω·m左右的高阻,為局部頁巖、板巖巖塊增多導(dǎo)致。

(2)研究區(qū)已知的鐵礦小窯采空區(qū)(CK02～CK04)與未開采區(qū)域的電阻率特征差異明顯。未垮塌的小窯采空區(qū),其電阻率值一般大于3000 Ω·m,已垮落的小窯采空區(qū)電阻率值一般小于3000 Ω·m,根據(jù)其與周圍電性差異特征,高密度電阻率法可較為精確的查明小窯采空區(qū)的空間特征,是研究區(qū)小窯采空區(qū)勘查的有力技術(shù)手段。

(3)在W04 ～W07高密度電阻率法反演斷面圖上,重要構(gòu)筑物的西部,呈現(xiàn)帶狀分布的極低阻異常區(qū),為一NE向的裂隙破碎帶,在隔水層上方水沿著裂隙破碎帶分別向山脊南北兩側(cè)運(yùn)移,造成含水率升高,極低電阻率異常規(guī)模逐漸變大,呈現(xiàn)“八字形”極低電阻率異常特征。

(4)云寨頂山脊處重要構(gòu)筑物的變形開裂,主要受采動邊坡及其洞室開采形成的小窯采空區(qū)CK3～CK5影響,后續(xù)施工圖設(shè)計除對構(gòu)筑物進(jìn)行加固外,需著重治理該區(qū)域的小窯采空區(qū)。

致謝：審稿專家對論文提出了寶貴修改意見,在此表示衷心感謝。