综合物探技术在潍烟线金矿采空区勘察中的应用

2021-04-22宗传志

铁道勘察 2021年2期

宗传志

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

随着我国铁路的快速发展，部分铁路难以避免穿越采空区，给铁路工程勘察设计带来了较大影响[1-2]。探查采空区最简单直接的方式包括访问、调查或直接进洞测量等，然而，部分采空区开采年代久远，缺乏可供查询的资料，其规模、形态和分布无迹可寻。因此，需要采用相应的勘察手段查明其分布[3]。

受传统钻探周期长、费用高、钻孔数量少等限制，物探技术成为采空区勘察中的必要手段[4]。应优选适宜的综合物探技术，充分结合不同物探方法优点和作用，发挥其高效、经济等技术优势[5]。部分学者进行了相关研究，李志华结合具体工程实例，总结了高密度电法、地震折射法、瞬变电磁法等多种物探方法的适用性[6-7]；李坚归纳了各种物探资料对应的小煤窑采空区的异常特征[8]；张吉振等总结了氡气在采空区中的运移规律和解释原则[9]；程怀蒙等在鄂东南地区大理岩捕虏体勘探中，应用综合勘探方法取得良好的效果[10]。然而，以往研究多针对煤矿、铁矿采空区问题[11-16]，而对金矿采空区的研究较少。

根据潍烟线灵山蒋家金矿采空区空间分布复杂、埋深变化大等特点，决定采用测氡法，重力法，地震映像法以及天然源音频大地电磁法进行勘探。

2 工点概况

2.1 测区概述

灵山蒋家金矿采空区测区位于山东省招远市以西，与荣乌高速毗邻，主要位于潍烟线(DK97+030～DK98+400)左侧，地理位置如图1所示。

图1 灵山蒋家金矿采空区测区地理位置示意

图2 灵山蒋家金矿采空区勘察物探平面布置

测区属低山丘陵区，冲沟发育，地形起伏较大。现场出露地层主要为素填土、填筑土、砂类土、粉质黏土、花岗岩、花岗闪长岩等。工作区位于沂沭断裂带东侧，大地构造位置隶属于华北板块东南缘的胶北断隆，南接胶莱拗陷，具有古老的基底变形变质岩系、多期多成因的岩浆活动和以NE向断裂为主的构造格架。工作区所属的胶西北地区构造十分发育，区内断裂主要为NE、NW及近东西向，是本区金矿的重要控(赋)矿构造。区域重力场和磁场宏观上反映区内的区域构造格架、岩浆活动和地层展布特征，其走向呈NE-NEE，重力场强度变化大，具有南北成带，带内成块分布的整体特征。

2.2 技术难点及分析

(1)采空区影响范围邻近的线位长1.3 km，影响面积约50×104m2，内部构造发育，埋深变化大(从十几米到百余米)，空间分布较为复杂。

(2)工区分布于城镇边缘，附近存在的高压线、道路等环境干扰，会对电磁类物探方法的数据质量造成一定影响。单一物探方法解释缺乏足够说服力，其探测结果可能存在较大误差。

(3)综合分析物探成果及地质调查资料，可以减小误差，其平面布置见图2。同时在物探异常处适当布置钻孔，依据钻探结果对物探成果资料进行复解，以提高解释精度。

3 方法原理与应用研究

3.1 测氡法应用研究

氡属于天然铀放射系列，是一种放射性的惰性气体。氡主要来自地下，在地壳中分布较分散，具有很强的向上运移能力。根据这一特性，对土壤中的氡进行测量，可实现采空区、裂隙地下水勘察、地面沉陷区勘察等。测氡法是一种放射性地球物理勘探方法，主要通过抽气法、活性炭被动吸附等测量方式和相关的数理统计，来判定正常场和异常场，进而确定探测区域是否有断裂或采空区存在。

采用FD-216环境测氡仪进行氡采集，测点点距20 m。为保证测量数据的一致性，在同一测区内应统一取样方式，且取样坑或取样孔的深度、大小、形状应尽量保持一致。深度一般为原状土下20～30 cm，并确保同测点测量数据误差在20%以内。测量前，用钢钎进行打孔，孔径大于2 cm。抽气至密闭气罐，气罐中装有带静电的薄膜采样片，用来吸附气罐中的氡气。经过2 min氡气采集后开始测量，测量时间为5 min。为保证数据的可靠和稳定性，应对氡气浓度异常段及异常两侧进行检查复测。

采空区一般会给氡气提供良好的运移通道，采空区位置的土壤氡气浓度往往会表现为相对的单、多峰值的高值弱异常。在本区，氡气的整体分布规律与基底地层的埋深深度相对应，高值异常反映基底埋深较浅，低值异常则反映基底埋深较深，测区中部的条带状氡浓度高值异常与重力异常梯度带相对应，为区内断裂的反映。根据绘制的氡浓度分布及地质调查情况，该区域内存在断裂F1、F2(见图3)。

图3 氡气异常平面

3.2 重力法应用研究

重力法勘探是以万有引力定率为基础，利用地壳中不同岩(矿)石或地质构造与周边环境之间的密度差异而引起的重力变化，得到有一定剩余质量地质体的重力异常，对重力异常进行定性或定量解释，进而推断覆盖层以下地质体与岩层埋藏情况，借以查明区域地质构造的物探方法。仪器读取的重力异常值不仅和地下地质体密度分布有关，还与测点高程变化、地形起伏，甚至地球形状和自转等因素有关。因此，在解释前必须分离出单独由勘探目标引起的异常，才能反映出由地下密度分布不均引起的重力异常。这就需要对观测重力值作相关校正，其中，包括地形校正、中间层校正、高度校正、纬度校正以及固体潮校正等，得到的布格重力异常是最主要的重力数据。

本次研究中，先获取测区范围内的布格重力异常值，再将布格重力异常分解，通过不同方法、不同计算半径的综合对比分析，计算得到的布格重力剩余异常，用以解释采空区的分布特征。采用2台Burris型、3台CG-5型重力仪，重力测点采用单程观测法进行观测，测线端点布设物理点，以保证边部的测点密度，测点点距为20 m。

布格重力剩余异常见图4。

图4 布格重力剩余异常平面

由图4可知，布格剩余重力异常最大值为0.53×10-5m/s2，最小值为0.38×10-5m/s2，中部存在重力低值异常，推测为采空区范围。该区布格重力剩余异常具有如下特征：①局部重力异常的平面展布特征，局部重力高主要分布于工作区北部，局部重力低主要分布于工作区南部；②局部重力异常与断裂的相关性，根据局部重力异常的平面分布规律可以看出，工作区中部及南部存在布格重力及布格重力剩余异常的梯度带，反映该区域内存在的断裂和测氡法较吻合；③由地质踏勘得知的民采淘金洞位置与布格剩余异常对比，其分布范围与局部重力低值异常相对应，这也与采空区的低密度特征吻合。

3.3 地震映像法应用研究

地震映像法是根据最佳偏移距技术发展起来的一种地震反射波法，也称高密度地震法或地震多波勘探。地震映像法在采集过程中，激发点和接收点沿着测线方向同步移动，利用地震纵波在地下介质中的传播及动力学特征，对地震映像剖面波形、振幅强弱、频谱信息进行分析，对浅层岩溶、采空及地层划分等地质勘察问题均有良好的应用效果。当采空发育时，其波阻抗会明显降低，在地震映像剖面上呈现出低速、低频，即“低频振荡”等典型特征，其波形往往有错断、畸变或者绕射等不连续现象，甚至出现波形周期变化异常。地震映像法的主要优势包括成本较低、方便灵活、数据采集高效、资料便于解释等，但勘探深度有限，抗干扰能力较差。

在灵山蒋家金矿采空区勘探中，根据现场地质资料和实际情况，沿测区范围内道路和农田内开展工作。震源采用夯击震源，质量为40 kg，采用美国Geometrics公司的NZ-24数字地震仪和14 Hz组合检波器，采样率为0.25 ms，记录长度为256 ms，最小偏移距为2 m。

本区共完成地震映像17条剖面，其中，14条剖面同相轴连续，无明显异常，3条测线剖面出现同相轴弯曲或断裂、不连续现象以及绕射现象，如图5所示。其中，ZY-11测线90～106 m(70 ms)附近；ZY-13测线80～94 m(70 ms)及144～154 m(70 ms)附近；ZY-17测线50～60 m(50 ms)、100～110 m(50 ms)及134～144 m(50 ms)附近可推断为采空区。

3.4 天然源音频大地电磁法应用研究

天然源大地电磁法是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的交变电磁场为场源的一种地球物理勘探方法。其通过观测然电磁场的时间序列信号，然后将时间序列数据经傅里叶变换转化为频率域数据，从而计算出每个频点的电阻率值和相位阻抗，得到有关电分层、电阻率的横向变化等信息，从而定性或定量地提供岩性变化、采空、构造异常等资料。

测线测点点距为25 m，共布置5个不极化电极，4个测量电极，1个接地电极。4个测量电极呈十字形布置，十字中心点为数据采集点，每两个测量电极组成一个电偶极子，长度为25 m。指定线位大里程方向为北，分别布置与测线方向一致的电偶极子和与测线方向垂直的电偶极，磁棒Hx与线位平行且不接线端(尾部)朝北，磁棒Hy与隧道线位垂直且不接线端(尾部)朝东，同时保证两根磁棒水平，埋深3～10 cm，并且与采集盒子的距离不小于5 m。

本区共完成12条天然源音频大地电磁法测线，除AMT-1测线整体电阻率等值线连续性较好以外，其余11条测线都出现了一定程度的不连续甚至错断(如图6所示)。其中，AMT-3测线在-20 m高程处的150～250 m段等值线连续性被切断，相对两侧围岩电阻率呈低阻分布，推断该段为采空段落；AMT-6测线在-20 m高程处的0～50 m段等值线连续性较差，存在低阻条带状，推断该段为采空段落；AMT-12测线在-20 m高程处的100～300 m段等值线连续性较差，存在相对低阻，推断该段为采空段落。

4 综合物探技术成果分析

基于以上分析，结合现场地形、地貌及已知地质资料和现场调查走访的信息，对各测线物探剖面进行综合解释分析，剔除一些假异常或其他因素造成的异常，确定各测线异常段落，本次勘察采空区异常位置见图7，黑色实线为本次勘探采空区边界。在本次综合物探勘察推断的采空区范围内，布置了若干钻孔进行验证。其中，ZCK-18(推断49～64 m为采空)、ZCK-18-1(推断31.5～59 m为采空)、ZCK-19(推断40～68 m为采空)、ZCK-19-1孔(推断52 m处为采空)钻进过程中出现漏浆、卡钻、反清水、钻进快等明显异常现象，证实了存在采空现象。