综合物探方法在金属矿采空区...的应用——以大西沟铁矿为例_王强.pdf
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1、053052弱,下渗补给深部有限。总体而言,在自然状态下,矿区地下水具有径流路途短、就地补给和排泄的特点。矿山设计为露天开采,标高+65.5 m以下将形成凹陷采坑,一定范围内地下水将会汇入采坑,导致矿区范围浅部含水层被疏干,并以采坑为中心,可能在半径约8001000 m范围内形成降落漏斗,对周边小范围地下水含水层产生一定影响。矿区地下水位随地形和季节变化影响明显,地下水水位一般埋藏较深,其动态变化具季节性周期,每年49月丰水期,水位明显上升,10月以后因降雨减少,地下水位缓慢下降,每年3月份地下水水位最低。整体而言,矿区地下水补给、径流及排泄条件简单。3 矿床充水预测3.1 矿床充水因素分析矿
2、山设计采用露天开采方式,附近未见大的地表水体分布,松散岩类孔隙水和基岩裂隙水富水性弱,水量贫乏。矿山投入生产后,矿区范围内地下水将会逐渐疏干,地下水对矿山建设生产总体影响较小,同时原有的溪流水将被截排沟拦截或改道,因此,结合矿区的地形地貌和矿床埋藏条件,未来矿山开采的充水因素主要为大气降雨。3.2 采坑充水量预测矿山拟设最低开采标高为0 m,矿体大部分位于矿区最低标高+65.5 m以上,地下水水位标高高于准采最低开采标高,由于水量较小,因此不考虑其影响,采坑充水量预测以大气降雨汇水为主,分为大气降水按地表水汇入矿坑与直接降入矿坑两部分。根据地表水自然排水特征、地形汇水及开采边界情况,估算矿坑大
3、气降雨充水量,汇水面积为矿区边界分水岭汇水以内范围,根据矿区地形地貌特点,矿区周边仅东面形成汇水进入矿区,确定矿区21-2汇水面积913070 m。通过计算,矿坑正常充水3量Q 为2898+5785=8683 m/d,最大日充水量Q 为12370015+139751=209766 m/d。本次预测的矿坑充水量仅为大气降雨汇水量。由于矿区所处区域降雨量充沛,并伴有暴雨、强降雨等,强降水瞬间降雨量大,地表溪流往往形成洪流,采场外应设置截排沟,避免外部地表径流涌入采场,凹陷开采需配备足够的排水设备,及时抽排采坑积水。综合评价,矿区地下水对矿坑影响较小,地表水体与地下水的水力联系较弱,矿坑充水主要来源
4、3是大气降水,水文地质条件中等。4 矿山开采对水环境影响4.1 对含水层的影响1)采矿对含水层结构破坏预测。矿区以地下水补给径流区为主,坡脚地形低处局部为地下水排泄地带。从水文地质条件分析,矿区范围内松散岩类孔隙含水层和部分块状、层状岩类裂隙含水层将被破坏或疏干,矿区周边约300 m范围浅部地下水2将向采场汇流,形成局部地下水降落漏斗区。区内无明显储水断裂构造,其导水性、富水性弱,对区域地下水疏干影响范围有限,对矿区地表及周边居民生活用水影响较小。因此,预测未来开采对地下含水层结构破坏影响较小。2)地下水水位预测。矿山开采矿体主要为花岗岩和变质砂岩,由于剥离和开采,矿区范围地下水补给来源受到破
5、坏,矿山开采范围内地下水被疏干,块状岩类裂隙含水层,此含水层随着开采标高的降低,水位相应降低。3)地下水水质变化预测。矿山排出地表的矿坑废水主要用于工业场地用水,废水沉淀后外排,污染地下水水质的可能性小;废石场在晴天和旱季时无废水外排,仅在雨天和雨季才产生淋滤水,废石属于不具有浸出毒性和腐蚀性的第类工业固体废物,堆放区入渗条件差,入渗量小,污染地下水水质的可能性小;矿区生活污水与现状类似处理,达标后排放,污染地下水水质的可能性小。因此,预测矿山废水对地下水水质变化影响较小。预测未来矿山开采过程中矿坑排水可能造成矿区范围含水层疏干,地下水水位下降,对地下水水质影响较小,污染程度较轻。(下转第56
6、页)摘要:大西沟铁矿最早为地下开采,后转为露天开采。在地下开采时期形成的众多巷道和采空区已成为影响大西沟安全开采的重大安全隐患,因此查明采空区的位置十分必要。采空区及其上部地层相对于矿体未开采之前的地层,其岩石物理特性会发生显著变化。采用综合物探方法利用岩石物性差异对矿区进行探测,圈定了部分采空区的位置。结合原有资料分析表明:综合物探方法对采空区的探测是有效的。关键词:采空区;电磁法;物探;探测中图分类号:P631 文 献标识码:A文章编号:2096-7519(2023)02-53-4王 强(陕西大西沟矿业有限公司,陕西 商洛 711400)综合物探方法在金属矿采空区探测中的应用以大西沟铁矿为
7、例大西沟铁矿始建于1986年,当时开采方式为地下开采,采矿方法为浅孔留矿法和底柱分段崩落法。2008年转为露天开采,采场内采用自上而下的逐水平分层开采方法。地下开采时期形成众多采矿巷道和采空区,规整性差、空间形态复杂,加之地下条件复杂和测量方法单一,导致许多隐性采空区的存在。地下杂乱无章的采空区已成为影响大西沟铁矿安全开采的重大隐患。因此,科学合理地对地下采空区位置进行精准定位十分重要。1 测区地质特征大西沟铁矿地层属海相粘土质碎屑岩碳酸盐岩含铁建造,具有明显的复理石韵律特征。整个岩石均受区域变质作用影响,形成浅变质的绿泥石岩相带。主要岩石为绢云千枚岩、菱铁千枚岩和绿泥千枚岩。此套地层以大西沟
8、最发育,地层由老至新如下:21)下伏地层下石炭统东沟组下段(C x)11主要由绿泥绢云千枚岩及绢云千枚岩组成,灰色至灰绿色,沿千枚岩片理面上常分布有纺锤状之褐铁矿小斑点。32)中间地层下石炭统东沟组上段(C x)11其岩性自下而上分为三层,下部:钙质绢云千3-1枚岩(C x),主要为条带状钙质绢云千枚岩和泥灰113-2岩;中部:菱铁含矿层(C x),主要为条带状菱铁11绢云千枚岩夹菱铁矿层;上部:磁铁重晶石含矿层3-3(C x),主要岩石为磁铁重晶石绢云千枚岩。1113)上覆地层石炭系中统二峪河组下段(C x)12主要为黑灰色硅质板岩,灰绿色砂质板岩。底部为铁白云岩和薄层状砂岩。大西沟铁矿原岩
9、为一套粘土质和碳酸盐沉积岩。在垂向上,下部和上部均以泥灰岩、铁白云岩、炭质千枚岩为主,中部主要是粘土质岩石和菱铁矿。岩相变化剧烈,中段以粘土质岩石和铁的碳酸盐岩为主,东西两侧粘土质岩石和铁质均逐渐减少,随着钙镁质岩石的增加,菱铁矿层也随之变薄至尖灭。2 工作方法2.1 等值反磁通瞬变电磁法作者简介:王强(1994),男,助理工程师,本科,毕业于西南石油大学,主要从事矿产地质相关工作。华北自然资源地质勘探2023.2王 强:综合物探方法在金属矿采空区探测中的应用总第113期022023年055054等值反磁通瞬变电磁法采用平行共轴的上下两个相同线圈,通常以反向电流作为磁场发射源,接收天线位于上下
10、线圈等距共轴的中间平面位置,上下两个线圈在中间位置产生的磁场等值且反向。由于接收天线位于等值反磁通平面,一次场磁通量始终为零,消除了收发天线互感造成的早期信号失真。在瞬态脉冲断电瞬间,地下空间一次场依然存在,接收天线收到是地下介质产生的纯二次场信号。此时越靠近地表磁场强度越大,感应涡流的极值圆环处于近地表,并逐渐向远离发射源的位置扩散。由于地下介质不同,其电阻率发生变化,涡流扩散速度和极值的衰减幅度也不同。2.2 二维等距微动勘探法微动是地球表面时刻存在的微弱震动,是一种在任何时间、地点都能观测到的天然震动。微动由体波和面波组成,其中面波的能量超过总能量的70%,位移幅度一般为几m,频率变化在
11、0.3-5.0 Hz之间。微动中的面波信息与地壳介质密切相关,其信号的振幅、频率随时间、空间会发生明显变化,在一定时空范围内仍能计算平稳特征。微动勘测就是以平稳特征作为参考依据,从微动信号中提取瑞雷波的频散曲线,利用频散曲线反演,得到地下介质横波的速度结构信息方法。2.3 工作布置本次等值反磁通瞬变电磁法采用HPTEM高精度瞬变电磁系统。工作网度为40 m20 m,测线方位为14.35,自剖面起点开始,每隔平距20 m测量1个点。当测至终点不足20 m时仍应布设1个测点,以保证测线边部有数据信息;当发现局部电阻异常时,点距应加密至10 m。通过实验选择采用频率2.5 Hz,勘探深度满足200
12、m要求。二维等距微动勘探法采用直线布设探测,剖面测量点距为510 m。根据野外试验确定探测参数最大观测半径不小于40 m。每个采集站连接1个2 Hz宽频带检波器,共10个采集器,每个采集器间隔为10 m,每点采集时长大于30 min。3 地球物理特征3.1 电性特征根据已有资料,矿区内各地层及菱铁矿电阻率差异不大,大都位于10002000 m之间,磁铁矿电阻率较低。当矿体和岩石被开挖后,会在地下形成1个采空区,从电性上分析,其电阻率表现为高阻反映。但采空区形成后,上覆岩层会在自身重力和地层应力的作用下,随着时间的推移不断发生变形、断裂、位移,甚至顶板塌落,同时地表水也有可能沿裂缝向采空区内渗漏
13、,从而四壁富水,局部积水,形成一个空心铁球的地球物理模型,经物理模拟后,发现为低阻异常。因此相对于地层电阻率,采空区常表现为低阻特征。因此,测区具备开展电阻率法探测采空区的物性前提。3.2 波速特征矿区为一单斜构造,地层产状较缓。采空区在地下有多种呈现形式,未发生坍塌时会以空洞的形式保存下来;发生塌陷后,部分空间会被围岩所充填。采空区内部填充的介质(气体、水或松散岩石)与围岩地层相比,地球物理性质差异很大,当地震波传播到采空区时由于传播介质的改变,会产生振幅、频率和速度等方面的变化。其中地震波中的瑞雷波在遇到采空区时会因为传播介质突变而发生明显的频散现象,在图形上表现为低速度异常。因此,测区也
14、具备地震勘探采空区的物性前提。4 资料解释4.1 异常识别低阻、低速异常在电阻率、波速剖面上表现为相对低值区或等值线凹陷,综合分析已知采空区、地质剖面及电阻率和波速异常特征,将异常分为采空区异常、疑似采空区异常、矿致异常、炭质异常4类(见表1)。4.2 异常解释采用多参数分析,结合已有采矿工程对异常进行分类,尽可能区分采空区异常和矿致异常。120线剖面主要圈定4个电阻率异常区(见图1)。1、2号异常为低阻异常区,呈上下分布,分布在102125点之间,埋深在13421434 m之间,异常规模较大。1号异常位于102122点,幅值在83-200m;2号异常位于106124点。两个异常部位均发育低品
15、位铁矿体、磁铁型矿石和磁铁菱铁型贫矿石,因此1、2号异常均为采空区异常。3号异常呈串珠状展布的层状异常,异常规模较小,分布在126132点之间,异常部位发育低品位铁矿体、磁铁型矿石,因幅值不连续,推测为疑似采空区异常。4号异常呈上下两个层状异常分布,分布在134146点之间,高程在13671325 m之间,该异常区域顶部有采矿巷道通过,异常部位发育规模较大的低品位铁矿体和磁铁菱铁型贫矿石,故推测该异常为采空区异常。在1、2异常区域开展微动探测(见图1),1、2号图1 120线电阻率反演综合剖面图表1 异常分类 采空区异常1.位于低速异常区。2.呈串珠状的薄板状电阻率异常或位于低阻异常区,且异常
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