高密度电阻率法在太行山北段铁矿采空区勘查中的应用

邵长奎, 薛园园, 乔建龙, 张 伟,王 林,任冠松, 张明阳, 田达志

(1.中国地质工程集团有限公司,北京 100093;2.中国节能环保集团有限公司,北京 100082;3.保定理工学院 资源与工程技术学院,河北 保定 071000;4.中国冶金地质总局地球物理勘查院,河北 保定 071000)

0 引言

勘查区云寨顶铁矿位于河北保定徐水区云寨顶山,其所处东釜山乡为远近闻名的石材生产和加工产地,其矿山开采历史悠久。与青白口系板岩石材露天矿山伴生的,是产于该地层内的变质型铁矿,其产出特征明显,大多呈“透镜状”、“漏斗状”,百姓称之为“鸡窝状”,产于青白口系下马岭组底部,以蓟县系铁岭组顶部侵蚀面为底界,其矿体品位变化较大、储量小,以矿化点、矿点为主[1]。矿山开采及加工业做为该区域支柱性产业,为徐水区域经济、社会的发展做出了一定的贡献,同时也由于矿山长时间无序开采和粗放型管理,对当地的自然生态环境造成了十分严重的破坏。云寨顶铁矿属2015年前政策性关闭矿山,但持续多年的矿山开采活动,在该区域地下形成了诸多的井巷工程和小窑采空区,多采用房柱式开采,残留有支撑柱,局部填充有板岩废渣。近几年,研究区上部地面发生不连续变形,其上的重要建(构)筑物产生诸多裂缝。经现场勘查,确由无序开采形成的采动边坡和小窑采空区所致。由于多处小窑采空区塌陷,局部巷道有不同程度充水,现状已无法进入,小窑采空区的具体规模和分布不详。崩塌、采动边坡失稳以及小窑采空区塌陷等地质灾害隐患的危险性较大,严重影像上部重要建(构)筑物的安全。因此,对于开采铁矿所形成的隐蔽小窑采空区的详细勘查非常重要。

高密度电阻率法是为快速、无损解决工程地质问题而发展出的工程地球物理勘探方法之一,它综合了电剖面法与电阻率法两种方法的勘探优点。作为电阻率法中的一种,高密度电阻率法装置形式组合更加多样,具有数据采集信息量大、观测及探测精度高、地质信息更为丰富、工作效率高等特点,广泛应用于解决地质和构造[2]、水文地质[3]、环境地质及工程灾害地质等各种地质勘察领域[4]。前人的研究和实践表明,高密度电阻率法对矿区采空区勘测具有较高的实用性[5-7]。为此,选取高密度电阻率法对云寨顶铁矿开采形成的采动边坡和小窑采空区进行了探测。结果表明,高密度电阻率法对小窑采空区勘测具有较好的效果,为后续小窑采空区及采动边坡治理工程设计提供了有利的依据。

1 地质概况

1.1 构造

勘查区位于保定市徐水区云寨顶,属徐水区西部丘陵山区及其山麓地带,大地构造位置处于太行山东坡断隆带,区域发育有多条小型正断层,呈NE向或NNE向展布。研究区东部为太行山山前断裂带,为分隔山西断隆与华北断坳的断裂带,区内主要隐伏断裂为定兴—石家庄断裂和徐水断裂[8]。研究区内未见有断层发育,其北部约800 m处发育有一NNE向的正断层,延伸距离4 km以上,属新华夏系构造体系,见图1。

1.2 地层

研究区所处的云寨顶出露地层特征显著,表层出露情况见图2,下伏基岩见图3,下部出露地层为中元古界蓟县系铁岭组(Jxt),岩性主要为白云岩(含透镜状燧石,局部微含锰)。上伏地层出露新元古界青白口系下马岭组(Qnx),岩性以杂色页岩为主,夹有板岩,东釜山附近下马岭组以大型“漏斗状”为主,底部以灰黄色铁质碎石角砾岩、赤铁矿与下伏的铁岭组地层为平行不整合接触关系。砾石的磨圆度、分选性均一般,排列形式呈杂乱状,含量占比30%～50%,基底式胶结,主要成分为硅质和铁质胶结物,砾石间充填有少量的粉砂级石英。赤铁矿层呈透镜状,以单体形式组成底部铁矿化层位[1]。

图2 研究区地质图

图3 下马岭组与铁岭组不整合面上的“大型漏斗”剖面图(据1∶20万地质图说明书保定幅修改)

铁矿为小窑采空区内主要开采矿种,铁矿层位稳定,均产于青白口系下马岭组底部,其底板以蓟县系铁岭组顶部侵蚀面为界,顶板主要为热变质页岩、板岩等。房柱式开采残留有板岩支撑住,并于采空区边部填充有板岩废渣。开采后形成的小窑采空区及采动边坡均位于下马岭组,其埋深大多介于30～50 m之间。铁矿矿体呈透镜状,厚度为0～8 m,平均厚度仅为1.75 m,向西南端逐渐变薄而尖灭。矿石主要为铁矿化板岩,有用矿物以磁铁矿、赤铁矿为主,脉石矿物则主要是黏土矿物等。铁矿呈散点状散布于矿石之中,部分为块状、脉状,矿石平均品位为Tfe 33.72%[9],见图3。

2 小窑采空区高密度电阻率勘查

2.1 基本原理

高密度电阻率法是电法勘探的一种,其基本原理流程为“加密电极布设—连接电极至程控式多路电极转换开关—信号传输—测量结果存储—原始测量数据传输—数据处理—异常圈定和解译”[10-11]。电阻率法是以地壳中岩(矿)石的导电性差异为基础,通过观测和研究所建立的稳定电流场在地下的分布规律,从而得到正常区和异常区数据,完成给地壳局部的“体检”[12]。高密度电法和常规电法一样,通过A、B电极向地下供入电流I,在M、N极间测量电位差ΔV,应用物理公式ρ=K·ΔV/I(式中K为装置系数),从而可求得该点(M、N的中点)的电阻率。工作原理见图4[13]。

图4 高密度电阻率法工作原理图

研究区内高密度电阻率勘查以铁矿小窑采空区与基岩、围岩的电性差异为基础,据其填充和电性差异探测小窑采空区发育范围。如果小窑采空区仅被空气所填充,其测得电阻率会显著高于围岩;如果其局部甚至全部充水,其电阻率则会明显低于围岩;如果小窑采空区发生塌陷,其电阻率则呈现中低阻异常。同理,当有裂隙、断层以及破碎带发育时,浅部一般会产生极低阻异常,这是由于构造破碎带下部仍为页岩、板岩隔水层,破碎带富含水有关[6,13](图5)。

图5 已知铁矿小窑采空区开采现状

2.2 工作方法

本次野外物探工作所使用的仪器设备为重庆奔腾数控技术研究所开发研制的 WGMD-4型高密度电法系统[14],该电法系统以 WDJD-4 型多功能数字直流激电仪做为测控主机,搭配以多路电极转换器构成[15-16]。该系统具有仪器操作方便、测量快速且准确以及存储数据量大等特点,并且可便捷地与国内常用高密度电法处理软件相互配合使用,使解译工作既方便又直观[17]。

野外数据采集以温纳α装置为主,辅助以温纳β装置和温纳γ装置,点距为3 m(测点编号3、6、9……285,电极距0～285 m),采集道数为120,单排列长度为285 m,最大间隔系数为29,供电电压为288 V。待参数设置并检查好,完成测线的布设,打开所有必要的电源开关后,在电脑程序的控制下,探测数据的采集以及存储将自动完成,采集过程中需实时观察对比数据质量,必要时需采取相应措施以确保所采集的数据的可靠性[6,18-20]。

2.3 工作布置

以采空区和上部居民点构筑物为重点,在影响建(构)筑物稳定性的范围内,结合地形特点、干扰种类及施工可行性,在已开裂的构筑物所在边坡布设物探剖面,主要排查区域内隐蔽性未知采空区,兼顾了解构造及地下水发育情况。因已开裂的构筑物南侧边坡坡度大,挖损破坏严重,对构筑物威胁较大,故集中设计物探剖面。在构筑物以西设计穿越云寨顶山脊的剖面,在其北侧边坡布设与沟谷相交的物探剖面,主要验证有无构造破碎带及其地下水分布情况,兼顾排查未知采空区。在道路两侧布设物探剖面,主要了解构造发育情况、隐蔽性采空区、岩石破碎情况。物探剖面编号均以W开头,剖面编号与测点编号遵循“南小北大、西小东大”的原则,共计布设物探剖面7条(图6)。

图6 研究区工作布置图

2.4 数据处理

将现场所采集的原始数据及时传输至电脑,采用瑞典 Geoelectrical 公司的 Res2dinv 二维高密度电阻率法测量数据处理软件对数据进行处理。首先,将现场采集数据进行预处理,主要包括转换数据的格式,剔除数据的突变点、坏点,拼接和保留数据以及校正地形。在数据处理过程中,对同剖面的温纳α、温纳β、温纳γ采集数据均进行处理,用温纳β和温纳γ采集数据处理结果对温纳α采集数据进行检验。其次,根据现场采集其他资料对比分析,选择适合的计算参数进行数据反演。由现场测得的原始数据做为正演数据,采用最小二乘法计算,确定基岩电阻率的分布。最后,将反演数据进行数据提取,利用软件绘制图件,包括电阻率等值线反演图、成果解译图[6,21-22]。

3 异常特征及推断解译

根据场地地质环境条件及研究目的,本次高密度电阻率法工作共布设并完成勘查剖面7条,依次编号为W01～W07,各测线方位角大小不一。剖面的布设以重要构筑物平台为核心展开,各剖面勘查目标各有侧重,剖面异常解释以此为基础,将侧重点相同的剖面按地段分别解释。

3.1 W01～W03测线异常推断解译

W01～W03 高密度电法剖面位于构筑物浆砌石平台的南侧边坡与陡崖之间,既为了验证高密度电阻率法对于两构筑物连线方向上已知采空区的反映,亦可检查有无其他未知采空区。因此,沿半山腰处由南向北依次布设3条平行的电法剖面W01、W02、W03,剖面方位角均为110°,与采动边坡BP2近乎平行,其反演结果见图7。

图7 W01～W03测线高密度电阻率反演断面图

结合W01～W03测线反演断面图可知,表层埋深0～25 m之间呈现出低电阻率异常特征,电阻率值大多小于50 Ω·m,局部呈现极低电阻率特征,为第四系边坡坡残积覆盖层的电阻率反映,且富含孔隙水。W02、W03测线地表零星分布有电阻率300 Ω·m 左右的高阻,为第四系坡残积覆盖层局部页岩、板岩岩块增多导致(图7、图8)。

图8 采空区位置剖面图

W02、W03测线高密度电阻率反演断面图显示,在W02测线99～147 m (33～49号电极)、W03测线96～120 m (32～40号电极) 埋深480～510 m之间,有中低阻异常,异常呈近南北走向,经现场调查,该段范围内为已知的小窑采空区(CK3),采空区已基本垮塌,由图3、图8可知,其赋存位置符合“漏斗状”铁矿的产出特点。该小窑采空区局部被板岩废渣支撑且局部被水充填,导致出现中低阻异常。该处的采动边坡和采空区对于上部建(构)筑物的稳定性影响较大。

W01测线150～195 m(50～65号电极)、W02测线138～195 m(46～65号电极)、W03测线159～207 m(53～69号电极)下方埋深30 m以上出现高电阻率异常,电阻率值普遍大于3000 Ω·m,异常呈NE向展布,与3条测线走向几近垂直。该异常与现场勘查所揭露的小窑采空区CK4的位置和走向基本吻合,内未见积水,推断为采空区导致的高阻异常。在W02测线的174～186 m (58～62号电极)范围内,高阻异常向上端翘起,上部界面埋深逐渐变浅。这是由于已知小窑采空区CK4进入20 m左右后,巷道分为两条支巷,其中一条由平巷逐渐发展为向上开采的斜巷,由此引起了异常的上翘。此位置的采动边坡和采空区对于上部建(构)筑物的稳定性影响非常大,后期治理中应着重考虑。

W01～W03测线225～279 m (75～80号电极)呈现椭圆状的高电阻率异常特征,电阻率值一般大于3000 Ω·m,经现场勘查,该段为采动边坡BP3坡脚的部分已知的小窑采空区CK5,由于该采空区开采时距自然边坡地表相对较近,开采后以板岩支护硐口,后由于废渣倾倒以及局部垮落,引起局部的中高阻异常(W02测线)。该采动边坡和采空区对于上部建(构)筑物的稳定性具有一定影响。

3.2 W04～W07测线异常推断解译

结合现场勘查情况可知,构筑物稳定性主要受南、西、北三个部位的影响,南端已布设W01～W03测线。因此,将测线W04～W07测线布设于构筑物浆砌石平台的西部和西北部。

测线W04与W05近垂直布设,从异常特征断面来看,以云寨顶山脊(W04测线84 m和W05测线54 m)为界,两条测线低电阻率异常均呈近“八”字形展布,“八”字形低电阻率异常中间夹有高阻异常,该位置为重要构筑物的电阻率反映,由于构筑物下部基础开挖较深,并以混凝土浇筑,从而形成高阻异常特征。低电阻率异常表明第四系坡残积覆盖层至下伏隔水层含水率较大,这是由于该区域为新揭露的NE向裂隙破碎带。随着雨水的渗流,第四系坡残积覆盖层含水率变大,且下伏地层岩性为隔水层—青白口系下马岭组页岩、板岩,导致第四系覆盖层至下伏隔水层电阻率变低。当降雨量增大时,下伏隔水岩层以上部含水率饱和后,雨水便在隔水层上方沿裂隙破碎带分别向山脊南北两侧运移,造成含水率升高,低电阻率异常规模逐渐变大,“八字形”低电阻率异常将更加明显,见图9。

图9 W04～W07测线高密度电阻率反演断面图

从W06测线看,以云寨顶山脊为界,其南北两侧存在低阻异常 (18～57 m),虽异常特征没有测线W04、W05的典型,但仍可看出具有测线W04、W05中水流运动的规律特征,其下部的低电阻率异常性质和特征与之相同。该区域水沿着裂隙破碎带渗流的运动规律,导致了局部水的富集,这也是小窑采空区CK2、CK3内部局部积水的原因所在。

由测线W07反演断面图可知,测线69～129 m (23～43号电极)和159～222 m (53～74号电极)分别存在一处高阻异常,此为中深部弱风化基岩隔水层的电阻率反映。 两个高阻异常上部均发育有厚度较大的低电阻率异常,且两高阻异常之间为漏斗状中低阻异常,该位置为W07与W05测线的交汇段,为同一裂隙破碎带导致地下含水率变化的反映。

4 结论

(1)综合现场勘查,表层呈现低电阻率异常特征,电阻率一般小于50 Ω·m,局部出现极低阻,为第四系坡残积覆盖层富含孔隙水的电阻率反映。第四系坡残积覆盖层零星分布有电阻率300 Ω·m左右的高阻,为局部页岩、板岩岩块增多导致。

(2)研究区已知的铁矿小窑采空区(CK02～CK04)与未开采区域的电阻率特征差异明显。未垮塌的小窑采空区,其电阻率值一般大于3000 Ω·m,已垮落的小窑采空区电阻率值一般小于3000 Ω·m,根据其与周围电性差异特征,高密度电阻率法可较为精确的查明小窑采空区的空间特征,是研究区小窑采空区勘查的有力技术手段。

(3)在W04 ～W07高密度电阻率法反演断面图上,重要构筑物的西部,呈现带状分布的极低阻异常区,为一NE向的裂隙破碎带,在隔水层上方水沿着裂隙破碎带分别向山脊南北两侧运移,造成含水率升高,极低电阻率异常规模逐渐变大,呈现“八字形”极低电阻率异常特征。

(4)云寨顶山脊处重要构筑物的变形开裂,主要受采动边坡及其洞室开采形成的小窑采空区CK3～CK5影响,后续施工图设计除对构筑物进行加固外,需着重治理该区域的小窑采空区。

致谢：审稿专家对论文提出了宝贵修改意见,在此表示衷心感谢。