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莹石矿区地下采空区探测中综合物探法的应用

2021-07-08 152 上传者：管理员

摘要：老矿采空区域地表建筑施工前常需进行工程场地的危险性评估工作,地下采空区的调查结果直接影响评估工作的准确性。矿区地下开采时因地下水易通过巷道岩壁裂隙渗出,导致巷道常伴有大量积水,鉴于充水巷道较周围岩体电阻率偏低,将高密度电法与高频大地电磁法用于某莹石老矿区地下采空区探测,根据地表地质调查成果,物探测线垂直莹石矿脉走向布设,矿脉置于测线中部附近,最后通过物探反演剖面成果分析,在矿脉带附近的低阻区域布置钻孔,局部钻孔揭露了地下采空区,验证了综合物探法探测资料的有效性,研究成果可为矿区深浅部采空区间接探测工作提供参考。

关键词：
地下采空区
矿业工程
高密度电法
高频大地电磁法
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某校区设计占地面积1000亩，地处一萤石矿区附近，该萤石矿脉位于砂砾岩与花岗岩的断裂接触带上，该断裂有多年的萤石矿采矿历史，由于该矿带各矿山现已闭坑，各矿山井下开采所形成的采空区现已无法实地调查，根据收集到的部分矿山老资料，除少部分出露地表外，矿体多位于地表15～25m以下，垂向上从100～280m均有采空区分布，沿断裂两侧为地质灾害隐患区，校址区局部位置曾发生塌陷，地下采空区对地面建筑的施工和居民生活存在一定安全威胁。

常用地下采空区探测方法有高密度电法[1,2]、瞬变电磁法[3]、频率域电磁法[4]及地震反射波法[5]几类，其中电磁法探测深度大，工作效率高，但易受地表高压电线磁场干扰，且浅地表区域存在一定的探测盲区；地震反射波法探测地下超百米深度的地质体需采用炸药作为地震波激发震源，市政工程勘察多不具备火工产品的申报条件；高密度电法可通过增大供电极距来增大勘探深度，虽然其工作效率偏低，但对几十米之内的浅部岩土层探测效果好，且抗干扰能力强，很适于建筑工程场地浅部及深部不良地质现象的调查。考虑到区域构造在地下水的作用下常呈现低电阻率的特性，本文采用高密度电法与高频大地电磁相结合的方法追索垂向断裂构造带的分布，继而寻找构造带附近的低阻区域，达到间接探测矿区地下采空区的目的，根据电法探测异常区域结合地质资料推断地下采空区的分布，并采用地质钻探方法验证，研究内容可为矿区采空区的探测问题提供思路。

1、工区地质概况及物探测线布置

工区位于河源市东源县范围内，地处南亚亚热带，地表水与地下水较丰富，为低山丘陵地貌，区内最高海拔243.0m，最低海拔36.0m，调查区内局部地段切割较大，山体自然坡度角5°～50°，区内植被发育。调查区及附近出露的地层主要有侏罗系金鸡组、白垩系上统南雄群、古近系罗佛寨组及第四系冲洪积，岩性以砂岩、砾岩、页岩以及花岗岩为主。

工区范围内主要构造为河源盆地南缘沿北东向展布的坳头断裂，该断裂位于白垩系上统南雄群暗红色砂砾岩与燕山三期黑云母花岗岩的接触带上，构造分支复合、膨胀收缩明显，构造面不平整，为多期次活动的张扭断裂。区内构造长约7200m，宽3～7m，走向28°～47°，倾向NW，倾角72°～75°。构造中充填物的成分较为复杂，主要为构造角砾岩、青灰色、白色块状石英，灰色、红色玉髓、赤铁矿胶结的块状石英及萤石等。构造往深部插入花岗岩中。坳头断裂是本区萤石矿的主要赋矿断裂，断裂次级断裂发育多期萤石脉，浅色萤石矿又被白色石英脉冲穿，张性活动导致盆地边缘下陷，构成显著地貌阶梯。

根据工区成矿构造带的走向分布特征，布置高密度电法测线3条，120道电极，采用对称四级装置，电极距5m,编号G01～G03；布置高频大地电磁测线1条，编号E01,长100m，测点间距10m，该测线与G03号电法测线中点近乎重合。

2、物探成果与解释

图1～图3分别为G01～G03号测线高密度电法探测成果，如图所示，电法剖面长度小于200m及长度大于340m范围内分别呈现明显的高阻与低阻特征，结合地质资料，发现电阻率变化趋势与花岗岩向砂砾岩转变的趋势相吻合，两种岩性的分界线附近电阻率等值线横向变化梯度大，将电阻率横向突变位置的异常以H2～H6依次编号。

如图1所示，H2与H3号异常带附近局部存在椭圆封闭状低阻信号(编号E6～E8),异常带倾向与倾角与莹石矿脉所处的断裂构造带产状一致，推测为构造带破碎含水或地下采空区含水所致。如图2所示，H5异常带在剖面距离280m、高程64～44m区域出现封闭状低阻区，但此异常位置距H5构造带大于30m,且埋深较浅，推测岩土体富水的可能性较大。如图3所示，H6构造段附近电阻率总体较高，介于400～2000Ω·m之间，其中剖面长度270m、高程-10m附近电阻率等值线呈椭圆形封闭状低阻区(图3黑色圆框标注处)，电阻率介于180～270Ω·m之间，因G03电法测线经过构造的位置附近浅表存在向深部延伸的废弃巷道，故判断此异常由充水的采空巷道引起。

图1G01号线高密度电法探测成果

图2G02号线高密度电法探测成果

图4为E01测线高频大地电磁法探测成果，如图所示，深度60～180m区域存在两处较大范围的相对高阻区域，电阻率多大于2600Ω·m，两高阻异常之间存在一条带状低阻，此位置与H3构造段所处的空间位置较一致，均为花岗岩与砂砾岩构造接触带的电性异常反映。测线末端深度50m存在一封闭状相对低阻区，其电阻率介于100～200Ω·m之间，但考虑到工区莹石矿均分布于断层带上盘，此异常与围岩的电阻率差异较小，且图3高密度电法剖面相应位置并未呈现明显的低阻异常，故推测此异常并非采空区充水所致。

图3G03号线高密度电法探测成果

图4E01测线高频大地电磁法探测成果

根据物探探测成果，结合地质资料分析，最终在G01电法剖面布置钻孔2个(图中建议钻孔2与建议钻孔3的位置)，均揭露了萤石矿脉，浅孔在46.2m处见含水构造，构造中见萤石，长度1.3m，深孔在101.44～107.28m处见含水构造，两个钻孔在深度100m以内均未揭露采空区；G03号剖面的ZK002钻孔于高程77.15m(图3黑色圆圈标注位置)揭露采空区，钻探成果验证了电法探测的有效性。

3、结论

(1）高密度电法与高频大地电磁法相结合，将莹石矿脉分布的构造带置于物探测线中部的综合物探技术可有效探测构造带的空间分布特征，同时圈定的地下采空区物探异常可为后续地质钻探位置的确定提供重要的依据。采空区探测结果为地表建筑物施工场地的危险性评估及后续采空区的充填、灌浆处理提供了准确参考。

(2）高频大地电磁法对岩性接触面及含水构造带探测效果较好，但对地下深部小规模采空区分辨率稍偏低，花岗岩与砂砾岩的分界面附近电阻率横向上数值变化梯度大，富水的地下采空区在电阻率剖面上呈现封闭状低阻特征。

参考文献：

[1]杨兆林,郭凯.高密度电法在铁矿隐伏采空区探测中的应用[J].中国矿业,2020,29(8):158-164.

[2]徐薏,牟义,杨思通,游超,孙庆先,张小波.榆林地区浅埋煤层采空区电法综合勘探技术[J].地质与勘探,2020,56(4):792-801.

[3]孙英峰,罗霄,高艺瑞,王朋朋,董川龙,贺永昌.瞬变电磁法在探测采空区中的应用[J].煤矿安全,2020,51(3):157-163

[4]张向阳,曹平,刘慧鹏,周罕,赵向东,王文科.频率域电磁法在采空区探测中的应用[J.有色金属工程,2020,10(1):95-101.

[5]刘贵明,任爱国,王克明,左兆龙.反射槽波地震勘探技术在煤矿采空区探测中的应用[J].煤炭工程,2020,52(8):68-71.

文章来源：张龙军.综合物探法在莹石矿区地下采空区探测中的应用[J].西部探矿工程,2021,33(07):107-109+111.