多种勘察技术在龙归硝盐矿采空区的应用研究

李松洲

（广东煤炭地质二〇二勘探队，广东 广州 510800）

在进行大型永久性工程建设前，必须对工程项目所在的区域进行地质勘察，特别是一些在矿区采空区附近的工程，地质资料更要详实准确。矿区采空区在地下矿产被采掘后，在采掘区内的岩层内部形成空洞，这样就造成在矿区形成塌陷区、地裂隙带，特别是对经过这个范围的地下轨道交通工程形成巨大的地质安全隐患。为了保证采空区地质勘察的准确性和科学性，往往采用多种勘察技术相结合的方式，这样在勘察过程中起到相互验证的作用，从而实现对勘测资料的全面分析。下面该文将介绍高密度电法、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、综合测井等几种技术的简要原理，结合它们在龙归硝盐矿采空区勘察中的应用效果，阐述多种勘察技术在龙归硝盐矿采空区勘察中起到的重要作用。

1 勘察技术

1.1 高密度电法

高密度电法测量法是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究这些差异以及人工电场的分布规律，可达到查明地下地质构造和寻找地下典型不均匀体（岩溶、风化层、滑坡体等）的一种地球物理勘探方法[1]。

在高密度电法中，如果表现为高电阻率，低极化率说明被测采空区内水分含量低；如果表现为低电阻率，高极化率[2]，说明被测采空区水分含量高地质比较松软，这也是激电勘探的物理基础[3]。

1.2 可控源音频大地电磁法（CSAMT）

可控源音频大地电磁法（简称 CSAMT 法）是以有限长接地电偶极子为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电、磁场分量的一种电磁测深方法[4]。

1.3 综合测井

综合测井就是对钻孔揭露的地层层序进行划分和标定，利用测井资料进行地质构造和断层研究，完成钻孔综合柱状图[5]。

2 多种勘察技术在龙归硝盐矿采空区的应用实践

2.1 工区概况及野外采集

龙归硝盐矿采空区位于广州市白云区太和镇永泰庄、高桥庄一带，矿山准采区位于龙归矿区南矿段，面积为3.084 km2。矿区处于珠江三角洲广从断裂带控制的龙归盆地南部，该盆地呈北东向狭长状展布，长约 46 km，最宽可达 9 km，面积为206 km2。该盆地沉积了一套厚度较大的以河湖相为主的下第三系碎屑岩，基底及边缘由古、中生界和燕山期花岗岩组成。该硝盐矿自 1994年水溶法开采以来，地面沉降累计最大量达到 1 016 mm，并且沉降仍在持续发展，在开采区及周边约4 km2范围调查结果可见建（构）筑物出现裂缝、倾斜以及开采井管地面发生震动等现象，根据对以往勘察资料的研究，认为此处采空区地质状况比较复杂，因此决定采用高密度激电、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、声纳探测和综合测井等几种技术进行勘探。

该次高密度激电法勘察中使用深圳市赛盈地脉技术有限公司生产的 GD-10 高密度电法测量系统进行观测，选用施伦贝谢尔装置测量。勘探的工作参数电极距 a=10 m，点距 10 m，最小隔离系数为 n=1，最大隔离系数 n=25。供电波形为方波供电。供电电压：450 V。测量时接地电阻小于2 kΩ，局部地段接地电阻小于4 kΩ，测量电位差大于10 mV。该区实测测线长 3.32 km，共 4 条测线，测点 328个，检查点 11 个，检查率 3.35%，

在可控源音频大地电磁法（CSAMT）勘察中采用美国Zonge 公司生产的 GDP-32 Ⅱ多功能电法仪，该次 CSAMT测量选定了以下工作参数——电源陷频滤波器：50/5，采用 50/5 滤波器压制 50 Hz 的 5 次谐波干扰，以压制低频干扰。工作频率：1 Hz ～8 192 Hz；采用加密频点，f=2n Hz（n=0、1、2、…13）；加密频点测量有利于掌握数据变化规律。发射电流：低频段均为 23 A，中高频段大于10 A；高频段大于4 A；大发射电流有利于提高信噪比。收发距：结合之前的试验成果，该次 CSAMT 测量收发距在 5 km～8 km；短收发距有利于提高信噪比，同时收发距能满足 600 m 探深的需求。叠加次数: 16～16 384 次；在强干扰条件下，数据采集采用多次采集、单次少叠加较为合适。野外工作测量时，接收机、操作员等远离 ANT/6 型磁探头 5 m 以上；风力较大时采取垫平、掩埋等措施，减小了探头震动。磁探头定向采用森林罗盘，保证了定向准确度达 1°。选择土壤潮湿处埋设供电电极，并在导电材料上浇盐水，压实坑土，保证电极接地良好，电阻小于30Ω。

综合测井方法技术采用中装集团重庆地质仪器有限公司生产的 JGS-1B 型智能工程测井仪。根据任务要求及选择的测井方法，配备使用的主要仪器数字采集记录仪（JGS-1B）、声波探管、电位电阻率（JD-1）、井温流体电阻探管（W422）、组合密度探管（M552）、流量探管（LLY-1）井斜仪（JCX-3）和井陉。测井内容包括声波测井、核测井、自然电位测井、井温测井、井径测量和流量测量。

2.2 对龙归硝盐矿采空区实测资料解释

龙归硝盐矿采空区是水溶法开采以来采集形成的空洞，通过该次高密度电法测量，了解龙归硝盐矿段压覆的矿区西北部地段80 m 以浅的电阻率分布特征，详细划分其电性层，将其分别推断为第四系覆盖层、砂岩、泥岩或泥岩与地下水。根据反演电阻率断面来看，电阻率明显呈层状分布，由上至下可分为3 层：第一层为浅部低阻层，厚度小于 5 m；第二层为相对高阻层，厚度在 15 m ～30 m ；第三层为下部低阻层。推断5 m 以浅的低阻为第四系覆盖层的反映，第二层相对高阻层推断为砂岩的反映，下部低阻层推断为泥岩或泥岩与地下水共同引起。

通过 CSAMT 测量，大致了解了测区电阻率分布特征，分别对测区 24 条测线进行了详细的解释推断，推断8 个溶腔的平面位置分布特征，圈定了一个溶蚀区，一个低阻异常区：其中溶蚀区面积约 0.12 km2，低阻异常区面积约 0.17 km2，溶蚀区溶蚀程度较大。将整条测线根据电性特征以及侧向电阻率曲线分布情况划分为5 个层位。一层：位于标高 0 m 以浅，电阻率在 30 Ω·m～80 Ω·m ，推断为第四系覆盖层；二层：位于标高-50 m～0 m ，电阻率在 20 Ω·m～300 Ω·m ，近似水平层状分布，结合地球物理特征及钻孔揭露情况，推断为砂岩引起。三层：位于标高-300 m～-50 m ，推断为砂岩与泥岩互层引起。四层：位于标高- 600 m～-160 m ，电阻率小于 10 Ω·m，这一层位主要以泥岩为主，硝盐矿层主要赋存在泥岩之中5层：位于标高-460 m 以下，电阻率大于 10 Ω·m，该层位于硝盐矿之下，本层上部也受采盐的影响导致电阻率偏低，往深部电阻率逐步增大，根据钻探情况，岩性主要以泥岩为主，部分钻孔揭露区内泥岩之下存在隐伏灰岩。推断泥岩段目前的地质状况是由于“水溶法”开采形成溶腔后，残留的盐水受上覆破碎的泥岩塌陷填充挤压往上浸入引起的，形成的溶腔已被破碎的泥岩充填，充填后溶腔内盐水往上浸入，导致低阻异常中心位于硝盐矿上方。该层位位于硝盐矿之下，该层上部也受采盐的影响导致电阻率偏低，往深部电阻率逐步增大，根据钻探情况，岩性主要以泥岩为主，部分钻孔揭露区内泥岩之下存在隐伏灰岩。

通过综合测井测量，可以推断得出该矿区采空区第三含水层直接接触主采盐层，多以泥质砾岩为主，顶板破碎，水系极易连通，在水溶法开采扰动下自然平衡易遭受破坏，将可能发生地裂缝、地面沉陷。盐穴形成一般会经历采空-地应力变化-顶板变形-顶板及上覆地层垮塌-地面沉降的过程，特别是在开采形成采空区后，矿盐仍会进一步发生溶解、软化，顶板、夹层有可能垮塌，垮塌后的泥岩在水中会软化，无法对上部岩石产生支撑，在新的空间，又有可能产生新的垮塌，使垮塌穹顶慢慢升高，从而可能加速地面沉降。

2.3 对龙硝盐矿采空区实测的综合解释

综合高密度激电法、CSAMT 和综合测井共同确定内泥岩电阻率低，硝盐矿层主要位于泥岩中，由于矿区采用“水溶法”进行开采，将盐矿层溶解并抽出后会在泥岩中形成溶腔，溶腔上覆地层会因压裂而垮塌，将溶腔充填，泥岩遇水后体积增大，导致溶腔被松散的泥岩填满，溶腔内残留的盐水会沿松散的泥岩向上浸入，导致岩层上方电阻率与盐矿层附近相当甚至更低；如果溶腔上部泥岩未垮塌，溶腔内充填的盐水也会形成厚大的低阻层。

3 对龙归硝盐矿采空区的实际测量结论

多种勘察方法的使用，大大地弥补了单一勘测方法资料片面、无法多方面解释勘察结果的缺点。高密度激电法可以通过电阻率断面分析地层岩层及地下水的分布，通过CSAMT 可以反映采空区的位置，而通过综合测井了解采空区内的岩石结构、分布和性质。多种物探方法可以互相验证，互相补充，从而提高勘探精度，保证物探成果的准确度。

4 结语

由于地质结构的复杂性，在进行物探后可能存在多种解释，为了做到对地质结构解释的科学性，必须通过多种勘察手段进行全面勘察，才能达到更好的效果，最大限度地减少地质分析解释的多重性，因此在进行勘察时要对工作布置、野外数据采集、资料处理、异常解释、钻孔布置等各环节均仔细研究，检测设备的工作参数需通过试验进行选择，尤其在地质情况较复杂的区域，在勘察中的每个环节必须做到有科学依据的支撑，并在资料处理及解释均综合各地质因素进行全面分析，才能获得准确的地质勘察数据。