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      多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)的應(yīng)用研究

      2020-11-29 01:50:05李松洲
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年5期
      關(guān)鍵詞:溶腔鹽礦電法

      李松洲

      (廣東煤炭地質(zhì)二〇二勘探隊(duì),廣東 廣州 510800)

      在進(jìn)行大型永久性工程建設(shè)前,必須對工程項(xiàng)目所在的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察,特別是一些在礦區(qū)采空區(qū)附近的工程,地質(zhì)資料更要詳實(shí)準(zhǔn)確。礦區(qū)采空區(qū)在地下礦產(chǎn)被采掘后,在采掘區(qū)內(nèi)的巖層內(nèi)部形成空洞,這樣就造成在礦區(qū)形成塌陷區(qū)、地裂隙帶,特別是對經(jīng)過這個范圍的地下軌道交通工程形成巨大的地質(zhì)安全隱患。為了保證采空區(qū)地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性和科學(xué)性,往往采用多種勘察技術(shù)相結(jié)合的方式,這樣在勘察過程中起到相互驗(yàn)證的作用,從而實(shí)現(xiàn)對勘測資料的全面分析。下面該文將介紹高密度電法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、綜合測井等幾種技術(shù)的簡要原理,結(jié)合它們在龍歸硝鹽礦采空區(qū)勘察中的應(yīng)用效果,闡述多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)勘察中起到的重要作用。

      1 勘察技術(shù)

      1.1 高密度電法

      高密度電法測量法是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),通過觀測和研究這些差異以及人工電場的分布規(guī)律,可達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下典型不均勻體(巖溶、風(fēng)化層、滑坡體等)的一種地球物理勘探方法[1]。

      在高密度電法中,如果表現(xiàn)為高電阻率,低極化率說明被測采空區(qū)內(nèi)水分含量低;如果表現(xiàn)為低電阻率,高極化率[2],說明被測采空區(qū)水分含量高地質(zhì)比較松軟,這也是激電勘探的物理基礎(chǔ)[3]。

      1.2 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

      可控源音頻大地電磁法(簡稱 CSAMT 法)是以有限長接地電偶極子為場源,在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場分量的一種電磁測深方法[4]。

      1.3 綜合測井

      綜合測井就是對鉆孔揭露的地層層序進(jìn)行劃分和標(biāo)定,利用測井資料進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造和斷層研究,完成鉆孔綜合柱狀圖[5]。

      2 多種勘察技術(shù)在龍歸硝鹽礦采空區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐

      2.1 工區(qū)概況及野外采集

      龍歸硝鹽礦采空區(qū)位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)永泰莊、高橋莊一帶,礦山準(zhǔn)采區(qū)位于龍歸礦區(qū)南礦段,面積為3.084 km2。礦區(qū)處于珠江三角洲廣從斷裂帶控制的龍歸盆地南部,該盆地呈北東向狹長狀展布,長約 46 km,最寬可達(dá) 9 km,面積為206 km2。該盆地沉積了一套厚度較大的以河湖相為主的下第三系碎屑巖,基底及邊緣由古、中生界和燕山期花崗巖組成。該硝鹽礦自 1994年水溶法開采以來,地面沉降累計最大量達(dá)到 1 016 mm,并且沉降仍在持續(xù)發(fā)展,在開采區(qū)及周邊約4 km2范圍調(diào)查結(jié)果可見建(構(gòu))筑物出現(xiàn)裂縫、傾斜以及開采井管地面發(fā)生震動等現(xiàn)象,根據(jù)對以往勘察資料的研究,認(rèn)為此處采空區(qū)地質(zhì)狀況比較復(fù)雜,因此決定采用高密度激電、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、聲納探測和綜合測井等幾種技術(shù)進(jìn)行勘探。

      該次高密度激電法勘察中使用深圳市賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 GD-10 高密度電法測量系統(tǒng)進(jìn)行觀測,選用施倫貝謝爾裝置測量??碧降墓ぷ鲄?shù)電極距 a=10 m,點(diǎn)距 10 m,最小隔離系數(shù)為 n=1,最大隔離系數(shù) n=25。供電波形為方波供電。供電電壓:450 V。測量時接地電阻小于2 kΩ,局部地段接地電阻小于4 kΩ,測量電位差大于10 mV。該區(qū)實(shí)測測線長 3.32 km,共 4 條測線,測點(diǎn) 328個,檢查點(diǎn) 11 個,檢查率 3.35%,

      在可控源音頻大地電磁法(CSAMT)勘察中采用美國Zonge 公司生產(chǎn)的 GDP-32 Ⅱ多功能電法儀,該次 CSAMT測量選定了以下工作參數(shù)——電源陷頻濾波器:50/5,采用 50/5 濾波器壓制 50 Hz 的 5 次諧波干擾,以壓制低頻干擾。工作頻率:1 Hz ~8 192 Hz;采用加密頻點(diǎn),f=2n Hz(n=0、1、2、…13);加密頻點(diǎn)測量有利于掌握數(shù)據(jù)變化規(guī)律。發(fā)射電流:低頻段均為 23 A,中高頻段大于10 A;高頻段大于4 A;大發(fā)射電流有利于提高信噪比。收發(fā)距:結(jié)合之前的試驗(yàn)成果,該次 CSAMT 測量收發(fā)距在 5 km~8 km;短收發(fā)距有利于提高信噪比,同時收發(fā)距能滿足 600 m 探深的需求。疊加次數(shù): 16~16 384 次;在強(qiáng)干擾條件下,數(shù)據(jù)采集采用多次采集、單次少疊加較為合適。野外工作測量時,接收機(jī)、操作員等遠(yuǎn)離 ANT/6 型磁探頭 5 m 以上;風(fēng)力較大時采取墊平、掩埋等措施,減小了探頭震動。磁探頭定向采用森林羅盤,保證了定向準(zhǔn)確度達(dá) 1°。選擇土壤潮濕處埋設(shè)供電電極,并在導(dǎo)電材料上澆鹽水,壓實(shí)坑土,保證電極接地良好,電阻小于30Ω。

      綜合測井方法技術(shù)采用中裝集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的 JGS-1B 型智能工程測井儀。根據(jù)任務(wù)要求及選擇的測井方法,配備使用的主要儀器數(shù)字采集記錄儀(JGS-1B)、聲波探管、電位電阻率(JD-1)、井溫流體電阻探管(W422)、組合密度探管(M552)、流量探管(LLY-1)井斜儀(JCX-3)和井陘。測井內(nèi)容包括聲波測井、核測井、自然電位測井、井溫測井、井徑測量和流量測量。

      2.2 對龍歸硝鹽礦采空區(qū)實(shí)測資料解釋

      龍歸硝鹽礦采空區(qū)是水溶法開采以來采集形成的空洞,通過該次高密度電法測量,了解龍歸硝鹽礦段壓覆的礦區(qū)西北部地段80 m 以淺的電阻率分布特征,詳細(xì)劃分其電性層,將其分別推斷為第四系覆蓋層、砂巖、泥巖或泥巖與地下水。根據(jù)反演電阻率斷面來看,電阻率明顯呈層狀分布,由上至下可分為3 層:第一層為淺部低阻層,厚度小于 5 m;第二層為相對高阻層,厚度在 15 m ~30 m ;第三層為下部低阻層。推斷5 m 以淺的低阻為第四系覆蓋層的反映,第二層相對高阻層推斷為砂巖的反映,下部低阻層推斷為泥巖或泥巖與地下水共同引起。

      通過 CSAMT 測量,大致了解了測區(qū)電阻率分布特征,分別對測區(qū) 24 條測線進(jìn)行了詳細(xì)的解釋推斷,推斷8 個溶腔的平面位置分布特征,圈定了一個溶蝕區(qū),一個低阻異常區(qū):其中溶蝕區(qū)面積約 0.12 km2,低阻異常區(qū)面積約 0.17 km2,溶蝕區(qū)溶蝕程度較大。將整條測線根據(jù)電性特征以及側(cè)向電阻率曲線分布情況劃分為5 個層位。一層:位于標(biāo)高 0 m 以淺,電阻率在 30 Ω·m~80 Ω·m ,推斷為第四系覆蓋層;二層:位于標(biāo)高-50 m~0 m ,電阻率在 20 Ω·m~300 Ω·m ,近似水平層狀分布,結(jié)合地球物理特征及鉆孔揭露情況,推斷為砂巖引起。三層:位于標(biāo)高-300 m~-50 m ,推斷為砂巖與泥巖互層引起。四層:位于標(biāo)高- 600 m~-160 m ,電阻率小于 10 Ω·m,這一層位主要以泥巖為主,硝鹽礦層主要賦存在泥巖之中5層:位于標(biāo)高-460 m 以下,電阻率大于 10 Ω·m,該層位于硝鹽礦之下,本層上部也受采鹽的影響導(dǎo)致電阻率偏低,往深部電阻率逐步增大,根據(jù)鉆探情況,巖性主要以泥巖為主,部分鉆孔揭露區(qū)內(nèi)泥巖之下存在隱伏灰?guī)r。推斷泥巖段目前的地質(zhì)狀況是由于“水溶法”開采形成溶腔后,殘留的鹽水受上覆破碎的泥巖塌陷填充擠壓往上浸入引起的,形成的溶腔已被破碎的泥巖充填,充填后溶腔內(nèi)鹽水往上浸入,導(dǎo)致低阻異常中心位于硝鹽礦上方。該層位位于硝鹽礦之下,該層上部也受采鹽的影響導(dǎo)致電阻率偏低,往深部電阻率逐步增大,根據(jù)鉆探情況,巖性主要以泥巖為主,部分鉆孔揭露區(qū)內(nèi)泥巖之下存在隱伏灰?guī)r。

      通過綜合測井測量,可以推斷得出該礦區(qū)采空區(qū)第三含水層直接接觸主采鹽層,多以泥質(zhì)礫巖為主,頂板破碎,水系極易連通,在水溶法開采擾動下自然平衡易遭受破壞,將可能發(fā)生地裂縫、地面沉陷。鹽穴形成一般會經(jīng)歷采空-地應(yīng)力變化-頂板變形-頂板及上覆地層垮塌-地面沉降的過程,特別是在開采形成采空區(qū)后,礦鹽仍會進(jìn)一步發(fā)生溶解、軟化,頂板、夾層有可能垮塌,垮塌后的泥巖在水中會軟化,無法對上部巖石產(chǎn)生支撐,在新的空間,又有可能產(chǎn)生新的垮塌,使垮塌穹頂慢慢升高,從而可能加速地面沉降。

      2.3 對龍硝鹽礦采空區(qū)實(shí)測的綜合解釋

      綜合高密度激電法、CSAMT 和綜合測井共同確定內(nèi)泥巖電阻率低,硝鹽礦層主要位于泥巖中,由于礦區(qū)采用“水溶法”進(jìn)行開采,將鹽礦層溶解并抽出后會在泥巖中形成溶腔,溶腔上覆地層會因壓裂而垮塌,將溶腔充填,泥巖遇水后體積增大,導(dǎo)致溶腔被松散的泥巖填滿,溶腔內(nèi)殘留的鹽水會沿松散的泥巖向上浸入,導(dǎo)致巖層上方電阻率與鹽礦層附近相當(dāng)甚至更低;如果溶腔上部泥巖未垮塌,溶腔內(nèi)充填的鹽水也會形成厚大的低阻層。

      3 對龍歸硝鹽礦采空區(qū)的實(shí)際測量結(jié)論

      多種勘察方法的使用,大大地彌補(bǔ)了單一勘測方法資料片面、無法多方面解釋勘察結(jié)果的缺點(diǎn)。高密度激電法可以通過電阻率斷面分析地層巖層及地下水的分布,通過CSAMT 可以反映采空區(qū)的位置,而通過綜合測井了解采空區(qū)內(nèi)的巖石結(jié)構(gòu)、分布和性質(zhì)。多種物探方法可以互相驗(yàn)證,互相補(bǔ)充,從而提高勘探精度,保證物探成果的準(zhǔn)確度。

      4 結(jié)語

      由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在進(jìn)行物探后可能存在多種解釋,為了做到對地質(zhì)結(jié)構(gòu)解釋的科學(xué)性,必須通過多種勘察手段進(jìn)行全面勘察,才能達(dá)到更好的效果,最大限度地減少地質(zhì)分析解釋的多重性,因此在進(jìn)行勘察時要對工作布置、野外數(shù)據(jù)采集、資料處理、異常解釋、鉆孔布置等各環(huán)節(jié)均仔細(xì)研究,檢測設(shè)備的工作參數(shù)需通過試驗(yàn)進(jìn)行選擇,尤其在地質(zhì)情況較復(fù)雜的區(qū)域,在勘察中的每個環(huán)節(jié)必須做到有科學(xué)依據(jù)的支撐,并在資料處理及解釋均綜合各地質(zhì)因素進(jìn)行全面分析,才能獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)。

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