物探方法在采矿坑回填土石与基岩分界面勘探中的应用

孙 平,王 谦,王重阳,刘俊伯,陈 峰,张 建

(江苏省地质勘查技术院,江苏 南京 210049)

采矿活动对环境具有很大影响,不合规的露天采矿会造成岩石裸露,形成浮石、危岩,存在着严重的崩塌、滑坡等地质灾害隐患。越界开采、超深度开采是常见的违法采矿行为。在违法采矿结束后,有的矿企会用杂土、乱石回填矿坑以掩饰违法行为。基于谁破坏谁治理的原则,矿山地质环境治理中需要查明违法矿企的实际开采范围和超采量。

钻探工程是直观、可靠的工作手段,可准确揭露基岩界面,计算超采矿石量。但若在回填后的矿山漫无目标地布置钻探工作,则耗时长、成本高。物探方法具有效率高、成本低的优点,采用物探先行,钻探跟进的方式,不仅可显著提高勘探工作效率,而且能大大降低成本。高密度电阻率法是工程物探的基本方法,广泛应用于岩溶勘察[1-2]、采空区勘察[3-4]、滑坡灾害勘察[5-6]、断裂带探测[7-8]、地下水探测[9-10]、水库渗漏检测[11-12]、场地污染调查[13-14]等方面,在地层精细划分中也有一定研究应用[15-16]。地质雷达法主要用于浅表层目标探测,相比高密度电阻率法,其在浅层探测精度更高,在道路病害检测[17]、隧道衬砌检测[18-19]、工程质量评价[20-21]、地下管线探测[22]、裂缝裂隙探测[23-24]、堤坝隐患排查[25]等方面应用较多。

本文中采用高密度电阻率法、地质雷达法探测石灰岩采矿坑回填土石与底部基岩界面、浅覆盖区岩土界面(采矿坑边界)效果良好,表明物探方法在矿山超采勘探中有一定应用潜力。

1.1 地质条件

工区所在区域地层发育较齐全,基岩主要出露志留纪—侏罗纪地层;北部出露燕山期石英二长斑岩(图1)。工区内地层除第四系残坡积层外,主要有二叠纪栖霞组和石炭纪船山组、黄龙组。

1.第四系全新统;2.第四系下蜀组;3.侏罗系大王山组;4.三叠系上青龙组; 5.三叠系下青龙组;6.二叠系龙潭组;7.二叠系栖霞组;8.石炭系船山组;9.中—上石炭统;10.石炭系黄龙组;11.下石炭统;12.石炭系;13.泥盆系五通组;14.泥盆系茅山群;15.泥盆系;16.志留系坟头组;17.燕山晚期石英二长斑岩;18.断层;19.工区位置图1 工区地质简图Fig. 1 Geological sketch of the survey area

栖霞组(P1q)分布于工区南部,是Ⅱ号矿体的赋存层位,厚度14.44～71.50 m,地层走向SE119 °左右,倾向SW,倾角30 °左右;岩性为深灰-灰黑色厚层-块层状粉-泥晶灰岩,夹灰黑色燧石岩、硅质页岩,以及少量薄层含生物碎屑粉、微晶灰岩;与下伏船山组呈平行不整合接触。船山组(C3c)是Ⅰ号矿体的赋存层位,厚36～41 m,走向SE118 °左右,倾向SW,倾角30 °左右;岩性较单一,主要为灰白-深灰色厚层-块层状粉质泥晶灰岩。该组与下伏黄龙组呈平行不整合接触。黄龙组(C2h),是工区主要矿体的赋存层位,其岩性单一,为粗-巨晶灰岩、灰-深灰色及灰白带红色厚层-块层状粉晶、微晶、泥晶灰岩,以泥晶灰岩为主。第四系(Q)广泛覆盖于上述各地层之上,大部分为全新统山麓斜坡堆积之残坡积物,结构松散,岩性及厚度差异较大;其中局部为人工堆土,堆土厚度达20余米。

工区为一单斜构造,构造线总体呈SE118 °走向,倾向SW,倾角30 °左右,相对较稳定且平缓。

1.2 地球物理条件

地质体的物性差异(如磁性、电性、密度、波阻抗等物理性质不同)是地球物理勘探的前提条件。本次勘探涉及的主要地质体为回填土石、石灰岩基岩,其中回填土石以黏土为主,含破碎岩石,深层含水量较高;石灰岩基岩为中厚层块状,较完整。物性测试表明,工区黏土电阻率一般<200 Ω·m,石灰岩电阻率一般>600 Ω·m,回填土石与基岩存在明显电阻率差异;黏土的相对介电常数为2～40,随含水量增加相对介电常数增大,石灰岩相对介电常数为9～15,回填土石与基岩存在较明显的介电性差异(表1)。因此,工区具备高密度电阻率法和地质雷达法应用的物性条件。

表1 工区介质电阻率和相对介电常数[26-28]Table 1 Resistivity and relative dielectric constant of objects[26-28]

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法通过供电电极向地下供电,测得电极间电位差,从而求得测量点的视电阻率值。若排列电极的电极距不变,而记录点位置移动时,即为电剖面法,测地电横向变化;若排列电极的电极距变化,而记录点位置不变时,即为电测深法,测地电垂向变化。高密度电阻率法是电剖面法与电测深法两种技术结合,一次布设几十至上百道电极完成二维视电阻率剖面测量[29]。

本次高密度电阻率法勘探工作采用DUK-2A高密度电法测量系统。施工中根据设计测线长度布设电极排列,其中探测矿坑底部基岩面的测线布置60～120道电极,电极距3 m,采用温纳-施伦贝尔装置,温施系数3,最小隔离系数1,最大隔离系数30;探测矿坑东部边界的测线布置40～60道电极,电极距1 m,采用温纳-施伦贝尔装置,温施系数3,最小隔离系数1,最大隔离系数20。数据处理采用RES2DINV软件,对测量视电阻率数据进行畸变点剔除、地形校正、反演迭代等处理,获得拟断面图,进而推断地下介质的分界面。

2.2 地质雷达法

地质雷达法是依据目标体内的不同介质具有不同的电性差异进行探测。它利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲形式送入被探测体内部,该电磁波在被探测的介质内部传播时会发生不同程度的衰减,遇到不同介电常数的介质分界面时,就会发生反射,反射波被接收天线所接收。通过处理分析所采集的反射波的频率、幅度和相位等信息,可得到不同介电常数的介质分界面的深度及反射界面的分布范围等参数。

地质雷达探测数据采集使用SIR-20地质雷达测量系统,采用100 MHz屏蔽天线,观测方式为沿测线连续点测量。数据处理采用RADAN软件,对测量数据进行时间零点校正、滤波、频谱分析、增益等处理。

2.3 测线布置

采矿坑西侧、南侧为高陡边坡,高差多>30 m,难以穿越;采矿坑东部边界被回填土石覆盖。探测采矿坑内回填土石与底部基岩界面的高密度电阻率法测线以NE向为主,编号依次为L1、……、L8,电极距3 m。探测矿坑东部边界的高密度电阻率法短测线编号S1、……、S5,电极距 1 m;地质雷达布置短测线11条,依次编号D1、……、D11。测线位置示意见图2。

1.等高线(等高距0.5 m);2.陡坎;3.简易道路;4.高密度电阻率法测线;5.地质雷达测线;6.推断采矿坑东侧边界;7.钻孔及编号图2 工区测线布置示意图Fig. 2 Schematic diagram of survey line layout

根据对各测线成果图件综合分析,回填土石与基岩电阻率差异明显,分界面视电阻率为150 Ω·m左右;强降雨后高程较低处(如L8线中段)基岩面视电阻率可降低至70 Ω·m。回填土石与基岩的雷达反射波强度、波形也区别明显。现选取典型剖面加以说明。

3.1 矿坑底部基岩面探测

高密度电阻率法L4测线,为NE向,方位角25 °,点距3 m,剖面长357 m。由图3(a)剖面视电阻率等值线特征可见,里程6～255 m层状分布明显,浅层为低阻,深部为中高阻特征;剖面255～357 m为中高阻夹一低阻特征。推断剖面深部中高阻区为矿坑底部基岩反映,剖面6～255 m低阻区为回填土石反映,其中6～165 m段平均厚度约20 m,165～255 m段平均厚度约28 m;剖面255～297 m中高阻区为基岩反映;297～357 m浅层高阻异常为碎石堆反映,297～357 m深层低阻区为回填土石反映。综合电性异常和等值线特征,以视电阻率150 Ω·m等值线划定回填土石、底部基岩分界线,与钻孔ZK1、ZK2结果相符(图3(b))。

图3 测线L4高密度电阻率法成果图Fig. 3 Results of high density resistivity method for line L4

高密度电阻率法L8测线与L4测线垂直,测线方向为SE113 °,点距3 m,剖面长246 m。由图4(a)剖面视电阻率等值线特征可见,里程3～69 m表现为中高阻,69～240m表现为浅层低阻,深部中高阻的层状分布特征。推断剖面深部中高阻区为矿坑底部基岩反映;剖面3～69 m大多基岩、碎石出露,部分区段为回填土石覆盖;剖面69～240 m浅层低阻区为回填土石反映,中部区段平均厚度约20 m。综合电性异常和等值线特征划定回填土石、底部基岩分界线(图4(b))。

图4 测线L8高密度电阻率法成果图Fig. 4 Results of high density resistivity method for Line L8

工区为地形封闭采矿坑,破碎构造不发育,排水条件差,强降雨雨水多赋存于基岩面以上的土层中,导致基岩面附近电阻率降低。测线L8为强降雨后施工测线,从其与L4测线相交位置视电阻率剖面可见,基岩面附近电阻率值下降明显。根据测线L4成果和钻孔ZK2,测线L8底部基岩面以视电阻率70 Ω·m等值线划分。据钻孔ZK3结果,该处基岩面划分仍适用视电阻率150 Ω·m等值线,可见降雨对划分基岩面电阻率数值影响程度与基岩面高程直接相关。

3.2 矿坑边缘基岩面探测

地质雷达D1测线方向为SE112 °,剖面长30 m。由图5(a) 剖面地质雷达影像图可见,里程0～11 m、20～23 m电磁波强烈吸收,信号快速衰减,反射波不明显;里程11～20 m、23～30 m有较强反射波。与石灰岩相比,潮湿回填土石具有更高的介电性,即更强的电磁波吸收能力,推断里程11 m位置为回填土石与基岩分界面,即采矿坑边界。

高密度电阻率法S1测线方向为SE136 °,点距1 m,剖面长59 m。由图5(b) 剖面视电阻率等值线特征可见,里程1～35.5 m表现为低阻,35.5～570 m表现为高阻。推断低阻区为回填土石反映,高阻区为基岩反映,里程40～48 m浅表层低阻为整平道路用碎石土反映。以视电阻率150 Ω·m等值线划分回填土石与基岩分界线,推断里程35.5m处为矿坑边界。

由图5可见,高密度电阻率法低阻区与地质雷达信号快速衰减区一致,探测结果较吻合。两种工作方法从不同物性参数推断划分矿坑边界,从而提升了工作成果可靠性。

需要注意,电磁波在湿土中的快速衰减会影响地质雷达探测深度。高密度电阻率法L6测线与S4测线穿过碎石土铺筑的道路,相应区段5 m以浅视电阻率<100 Ω·m,低阻反映明显;而在相同区段地质雷达探测效果不明显,推断对视电阻率<100 Ω·m的土石层,地质雷达100 MHz天线探测深度<5 m。

3.3 钻探验证与超采量计算

电阻率法测量的电性异常为地质体的综合反映,体积效应影响推断结果的准确度,通常需要钻孔资料对推断层位进行校正。表2为部分高密度电阻率法初始推断基岩面深度与钻孔揭露深度对比,从中可见两者误差比例为3.2 %～7.0 %,结果较准确。

高密度电阻率法剖面成果在用钻孔资料校正后可准确划分基岩界面,其对基岩面起伏形态变化信息表现更加丰富。如图3中测线L4基岩面起伏形态准确划分,给定许可采矿高程,在CAD中可轻易圈算超采断面面积。通常,通过多条剖面超采断面面积、测线线距,即可采用断面法[30]计算超采量。

3.4 综合成果

对物探工作结果进行三维显示,可以更直观地展现回填土石、基岩的空间分布及回填土石相对厚度(图6)。其中,采矿坑西部的L1、L2测线中段为高阻,与地表基岩裸露情况相符,该区段南北两端有少部分回填土石覆盖基岩;采矿坑中部、东部的L3至L6区段则大多被厚度不等的土石回填,部分区段基岩面埋深超过30 m;采矿坑外,测线L4、L5北端地表堆石反映明显。根据小极距高密度电阻率法S1至S5测线、地质雷达D1至D11测线成果,可较好推断采矿坑东侧边界。(采矿坑边界外L6测线北段、L7测线东段低阻区为相邻矿权区回填土石反映。)

1.基岩(堆石);2.回填土石;3.采矿坑东侧边界;4.测线位置图6 工区物探推断成果图Fig. 6 Results of geophysical prospecting inference in the survey area

(1)采用高密度电阻率法、地质雷达法对已用杂土、乱石回填的石灰岩采矿坑进行勘探,推断开采范围、深度。钻探结果表明,高密度电阻率法可较准确推断地层结构,划分采矿坑回填土石与基岩界线;地质雷达法对采矿坑边缘回填土石与基岩分界反映良好。

(2)物探推断结果为钻探设计提供依据,钻探结果再反馈修正物探推断结果,两者相互配合,克服单一勘探手段效率低和准确度有限的问题,从而获得可靠的、信息丰富的综合地质断面,用于计算实际开采量。

(3)石灰岩矿为重要的非金属矿,开采技术门槛较低,是超采违法行为较多的矿种。对于存在用回填土石遮掩超采情况的石灰岩矿或其他种类矿场,可参考本次物探、钻探相结合的方式查明超采量。

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