复杂城市背景下综合物探方法在铁矿采空区勘查中的应用

朱钊锐，时彦芳，耿祥峰，苗德刚

山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院); 山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014

0 引言

随着经济和社会发展，城市规模不断扩大，之前的偏远矿区一步步进入城市发展范围内，采空区的存在给城市建设和人民的生命财产安全造成了巨大隐患，因此对城市及周边采空区开展勘查工作具有极其重要的现实意义[1-4]。

济南东部城市交通一期工程线路起点为邢村，终点为山东大学(章丘)，途经历城区、高新区、章丘区，整条线路长度约22.6 km。沿线煤、铁、粘土矿等地下固体矿产储量丰富，分布广泛，开发历史悠久。矿山开采改变了原始地质环境，存在较多地质灾害问题，对拟建工程影响不可忽视[5-7]。因此，查明济南东部城市交通沿线采空区分布范围、埋藏特征意义重大。本线路经过小龙堂铁矿位于经十东路，道路车流量大，两侧多分布有厂房、高压线，施工环境复杂。

本文依托济南东部城市交通地质调查项目，讨论了航空磁测、高密度电法、瞬变电磁三种方法在探测小龙堂铁矿采空区时，应用效果是可行的[8-10]。航空磁测圈定磁异常范围，瞬变电磁采用中心回线装置与高密度电法相互结合圈定电异常范围，磁异常与电异常综合对比分析，推测了铁矿采空区范围及分布特征，取得了较明显的地质效果，为后期对采空区域的综合治理提供了技术支持[11-13]。

1 地质背景及地球物理特征

1.1 矿区地层

矿区出露地层较单一，奥陶系灰岩为基岩主体，第四系松散层遍布区域。

1.1.1 奥陶系

岩层受矿区构造和火成岩影响，产状不稳定，总体北西—南东方向延展，闪长岩体附近产状凌乱，局部近乎陡立或接近水平。

在矿区来看，构成岩系上部为层次较薄质纯、黑灰色豹皮状灰岩，中部为中厚层褐黄色灰岩，下部为厚层黑灰色结晶灰岩和大理岩。

图1 工作区地质背景图

1.1.2 第四系

第四系松散层由坡残积和冲积物组成，以冲积物为主体，其厚度不一。坡残积层主要分布于石灰岩区的山坡和山麓地带，风化层变化较大；冲积层主要分布在平原地带，由黄土、砂土、砾石组成。

1.2 岩浆岩

闪长岩是矿区主要的成矿岩体，总的来看，北部颜色较浅，黑色矿物含量较少，花岗结构。南部以细粒和中粗粒结构为主，边缘部分为角闪石闪长岩，中心部分为黑云母闪长岩。

1.3 地球物理特征

1.3.1 电性特征

搜集测区物性资料可知，灰岩、大理岩属高阻地质体，电阻率值在1 000 Ω·m以上。泥页岩、泥质灰岩、闪长岩属中阻岩石，电阻率在几十到几百Ω·m之间。第四系电阻率一般15～50 Ω·m[14-17]。岩石破碎、岩溶发育区的电阻率显著低于完整岩石，表现出低电阻率特征。综合分析，第四系与基岩、各类岩石间电阻率差异明显。

1.3.2 磁性特征

小龙堂工区位于奥陶系与火成岩侵入体接触带附近，岩体变化较大，磁性差异明显。沉积岩表现为无磁-微弱磁性，呈平静低负磁场。火成岩侵入体以闪长岩为主，磁性较强，磁化率为600～3 500(单位为10-3A/m，下同)，剩余磁化强度较高。磁铁矿为强磁体，磁化率可达10 000～30 000[18-20]，多表现为局部磁异常或使磁性强度升高。

1.3.3 铁矿采空区特征

铁矿开采前，矿体磁性较强，与围岩差异较大，在高精度磁测△T等值线平面图上表现为磁场强度较高、规律性较强特征。铁矿采空区由于矿体的缺失，表现为磁场强度幅值降低或磁异常消失。采空区位于水位之下或被泥质物充填,与周围完整岩石相比视电阻率值明显变低,呈低阻变化特征；若没有被充填则表现出相对高阻特征。

2 铁矿分布及开发利用情况

根据调查及相关资料记载，小龙堂铁矿于1992年开始开采，1994年采掘完毕，铁矿体长80 m、宽约15 m、厚约15 m、延深约20 m，埋深58～82 m，倾向NE，倾角约30°～45°。采用竖井和水平巷道开拓进入矿体，共分三个开采水平，分别为埋深58 m、70 m、82 m。开采完成后形成的空洞，采矿人从河道挖掘砂砾石混红黏土进行回填，回填至最上一层水平巷道后停止，回填采空区用时2～3个月。该矿山属于地下开采，已形成地下采空区。

图2 小龙堂铁矿矿体分布及开采示意图

3 方法技术

3.1 工作布置

小龙堂矿区采用物探方法为：高密度电法、航空磁测、瞬变电磁。根据现场实际情况共布设测线9条，其中近东西向5条、采用方法为高密度电法、瞬变电磁，测线长度460～500 m；近南北向4条，采用方法为瞬变电磁，测线长度160～240 m；航空磁测开展面积性测量，线距20 m，测量面积0.35 km2。

图3 小龙堂矿区测线布设及推测采空区分布图

3.2 仪器设备及参数选择

3.2.1 航空磁测

本次磁测工作飞行载体为大疆DJI M300 RTK多旋翼无人机，搭载铷光泵磁力仪、磁通门磁力仪及航磁补偿采集系统进行测量。GTK航磁系统由微机电技术实现的芯片级原子光泵磁力仪、激光高度计、9轴姿态传感器、气压高度计、GPS导航系统组成，静态噪声水平0.01 nT、动态噪声水平0.07 nT、分辨率0.000 1 nT、灵敏度优于0.02 nT、最大梯度容差100 nT/cm。

采用仿地飞行作业模式，离地高度100 m，采样频率10 Hz，飞行速度根据飞行作业现场气象条件在8～10 m/s之间选择。

3.2.2 高密度电法

高密度电法使用仪器为重庆奔腾数码研究所生产的WGMD-9超级高密度电法系统，测控主机为 WDA-1超级数字直流电法仪，电压通道±32 V、测量精度0.2%～1%、视极化率测量精度1%、Sp补偿范围±10 V、最大发射功率7 200 W、最大供电电压1 200 V、最大供电电流6 A。

采用温纳装置开展数据采集工作，电极距5 m。

3.2.3 瞬变电磁

本次瞬变电磁测试选用的仪器为加拿大phoenix公司生产的V8多功能电法仪，T4发射机输出电流最大40 A、输出功率平均2.8 kW、占空比最大50%、线性关断、输入电池电压0～108 V。

根据探测要求，瞬变电磁工作选择中心回线装置，试验内容包括：线框大小、发射频率、积分时间，对每一项试验记录进行现场数据回放，保证得到可靠的电磁信号衰减曲线，共试验物理点44个。

图4 不同试验参数电磁信号衰减曲线对比图

依据探测深度要求，尽可能压制随机干扰，提高施工效率，本次工作选取采集参数：发射线框20 m×20 m，发射电流20 A，发射频率5 Hz，积分时间不小于60 s。

4 资料解释与分析

4.1 航空磁测资料解释

根据磁异常特征，以磁力值为50 nT的等值线圈定出具有一定规模的两处高值磁异常区M1、M2。

M1磁异常位于工作区西南角，走访调查可知为厂区厂房与铁塔引起的干扰异常。

M2磁异常位于工作区中部，呈块状展布，为区内面积最大、强度最高的磁力高异常，内部包含三个磁力高异常中心。采用位场转换技术对ΔT化极磁场数据进行向上延拓100 m处理(见图6)，三个磁异常中心归聚为一个较大磁异常，而ΔT化极磁场数据上延100 m垂向1阶导数(见图7)零值线与M2磁异常边界基本吻合，结合区域地质资料分析，M2区域具备磁性矿物富集形成铁矿体的必要条件，且磁异常强度大，梯度变化明显，推断为铁矿体或铁矿采空区引起。

图7 工作区ΔT化极上延100 m垂向1阶导数推断成果图

4.2 物探测线解释

沿经十东路方向东西向布设测线5条，现以经过已知5#孔XLT3线为例详细分析：

该测线沿经十东路近东西向布设，采用高密度电法、瞬变电磁两种方法进行数据采集，从图8可以看出，各断面电性特征变化较为一致，表现为视电阻率值自浅至深逐渐升高，局部电性低阻变化为矽卡岩化蚀变引起。

图8 XLT3线综合剖面图

已知5#孔位于测线180 m处，高程104.8 m以浅为填土、碎石，104.8～71.8 m为闪长岩，71.8～58.7 m为大理岩化灰岩，58.7～56.3 m为矽卡岩，56.3～53.6 m为采空区，53.6～45.7 m为矽卡岩。已知采空区域电阻率明显较围岩低，电性变化特征明显。

剖面水平位置100～270 m、高程62～52 m处视电阻率值变低，明显低于围岩电阻率值，等值线向下同向弯曲，呈“U”型低阻异常。该位置瞬变电磁电性异常反映与高密度电法一致，结合已知采空区电性特征综合分析推测为铁矿采空区。

综合分析高密度电法和瞬变电磁探测结果，推测工作区电性异常分布见表1。

表1 高密度电法和瞬变电磁法推测小龙堂采空区分布一览表

4.3 小龙堂铁矿采空区特征综合分析

根据采集到的磁测数据和电性数据，对工区电性异常与磁测异常进行套合对比分析(图9)。依据铁矿采空区推断原则，综合分析工作区地层电性、磁性特征及异常变化，结合钻探资料，推测了1处铁矿采空区。该采空区主体位于经十东路南侧、巨野河西侧，北西向延伸至经十东路北，面积约15 500 m2。

5 采空区钻探验证

小龙堂工作区共布设勘察孔7个(编号1-7)，以验证电性异常及磁性异常、控制采空区范围为布孔原则。除2#、7#对比孔(布设于物探推测采空区外围)外，其他5个钻孔均布设于物探推测采空区范围内，其中揭露采空区勘察孔3个，采空区埋深58～66 m；揭露铁矿(未开采)勘察孔2个，大致掌握了铁矿体开采情况。

表2 勘察孔揭露地层一览表

6 结论

(1)与地面高精度磁测相比，航空磁测方法具有较高的测量效率，且不受地形及场地环境制约。同时，由于飞行载体距离地表一定高度，很大程度上会减弱地表干扰环境对数据采集的影响，能够更加清晰的反映出深部地质体的磁场变化特征，在复杂城市背景下具有明显的优势。

(2)与大线框定源回线装置相比，小线框大电流中心回线观测方式抗干扰能力较强，100 m内浅信号也较强，且由于关断延时小，可以最大程度的缩小浅部盲区，非常适合城市背景下浅部地质体探测。

(3)铁矿采空区与铁矿体电性异常、磁性异常相似，单独依靠物探方法准确区分出两者较困难，项目人员需根据铁矿开采空前后△T异常变化特征进一步综合分析判断。

(4)矽卡岩型铁矿多形成于侵入体与围岩接触带，矿体多变，产状不规则，这给采用物探方法精确圈定铁矿采空区带来了一定困难，后期需要根据钻探结果进一步完善采空区分布特征。