綜合物探技術在金屬礦山水害防治中的應用

李林貴，黃勝昔，楊 柱，趙 恰

(1.安徽省廬江縣金鼎礦業(yè)有限公司， 安徽合肥 231500;2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

復雜大水礦床在我國分布廣泛，礦石儲量大、種類多。自1950年代以來，長沙礦山研究院等單位便開始了大水金屬礦床開采的研究工作，經(jīng)過近半個世紀的開采實踐，已取得了大量成果，積累了豐富的經(jīng)驗。但是由于復雜大水礦床含水情況復雜多樣，此類礦床的開采仍然存在許多難題。

系統(tǒng)查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，是復雜大水金屬礦床開采的難題之一，可靠的水文地質(zhì)資料在今后礦床開采安全生產(chǎn)中起著重要的作用。采礦前可以根據(jù)水文地質(zhì)條件，制定系統(tǒng)的防治水方案，避免不必要的排水，保證礦山生產(chǎn)安全。但是對于復雜大水礦山，大規(guī)模的水文地質(zhì)勘探往往投資巨大。因此，利用新技術、新方法查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件成為防治水工作的重點。由于地球物理探測技術具有成本低、效率高等優(yōu)點，在解決水文地質(zhì)問題方面得到了廣泛和成功的應用，逐漸成為不可缺少的勘探手段。

1 金屬礦床地球物理條件概述

地球物理探測技術是使用地球物理原理，根據(jù)各種巖石之間的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)的差異，選用不同的物理方法和物探儀器，測量獲得地球物理場的變化，從而了解水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件的勘探和測試方法。目前，常用的地球物理方法主要有電法勘探、電磁法勘探、地震勘探、地球物理測井、微重力測量、放射性測量等。

大水金屬礦床地下水的主要通道有孔隙、裂隙、溶隙等，其中含水構(gòu)造水量豐富，包括各種節(jié)理、導水斷層和大的破碎帶，是礦坑涌水的主要通道。各種導水構(gòu)造中的張性斷裂，裂隙張開，一般半充填甚至無充填，同時斷裂面兩側(cè)常有次一級斷裂面，形成地下水集中徑流通道。理論上，這些集中徑流通道或者強含水層形成一定規(guī)模，必然引起地球物理場的顯著變化，可以利用地球物理手段查明。一般情況下，巖體如果相對完整，內(nèi)部空隙少，一般電阻率較高，表現(xiàn)為高阻特征;而富含水的斷層及破碎帶、含水層則表現(xiàn)為低阻特性，與圍巖形成電性差異。另外，礦體、斷裂破碎帶及圍巖在波場的特征參量上有著明顯的差異，可通過觀測它們對人工激發(fā)地震波的響應，識別地下水集中徑流通道。

2 綜合物探方法原理

目前，運用綜合物探方法在金屬礦床進行水文地質(zhì)勘察的應用相對較少。綜合地球物理方法主要包括地震類方法(如淺層地震、瑞雷波、地震映像法)、電法類方法(如地質(zhì)雷達、高密度電法、TEM、CSAMT)、放射性勘探以及綜合物探方法(如地震與電法綜合等)，這些方法均在一些地區(qū)取得了較好的應用效果。本研究基于淺層地震折射法和音頻大地電磁法綜合物探勘查方法，對黃屯硫鐵礦區(qū)進行水文地質(zhì)勘察，查明礦區(qū)范圍各種地質(zhì)構(gòu)造(斷裂、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶)的產(chǎn)狀、規(guī)模、深度與富水性，為下一步水文地質(zhì)勘查及礦區(qū)防治水工作提供依據(jù)。

2.1 淺層地震折射法

淺層地震折射波探測方法的原理是:人工地面激發(fā)地震波，當?shù)卣鸩ㄔ诮乇斫橘|(zhì)中傳播時發(fā)生折射，根據(jù)儀器記錄的折射波到達檢波器的時間，從而獲得地下介質(zhì)的空間分布特征。折射波法常用于探測近地表層厚度、尋找隱伏斷層、確定基巖起伏、測量潛水面深度、判別裂隙發(fā)育以及評價巖體質(zhì)量和分類等工程地質(zhì)問題，其探測效果往往優(yōu)于反射法。

2.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法(AMT)，是大地電磁(MT)法的一個分支。它是利用雷電活動所引起的天然音頻大地電磁場作為場源，觀測互相垂直的兩個方向上若干頻率的電場和磁場之比(稱為波阻抗)，通過研究地電斷面的變化，來解決找礦、找水、研究地質(zhì)構(gòu)造有關的地質(zhì)問題。

EH4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)。深部構(gòu)造通過天然背景場源成像(MT)，其訊息源為10 Hz～100 kHz。淺部構(gòu)造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100 kHz人工電磁訊號，補償天然訊號的不足，從而獲得高分辨率的成像。一般用于查明深部斷裂、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、節(jié)理裂隙密集帶等導水構(gòu)造的大體位置、傾向、傾角。

3 應用實例

3.1 礦區(qū)概況

黃屯硫鐵礦位于安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)境內(nèi)，為未開發(fā)利用的礦床。一期擬開采6～30線之間，標高－340 m以上的礦體。礦體賦存于主要含水層(火山碎屑巖)之中，含水層(包括礦體)構(gòu)造、裂隙發(fā)育，地下水水頭壓力大，地下水儲量極其豐富，地質(zhì)勘探預測涌水量極大，為水文地質(zhì)條件復雜的火山巖地層大水金屬礦床。2011年11月，礦山委托廣東省地質(zhì)物探工程勘察院進行水文物探勘察。

3.2 地球物理條件以及工作方法

總結(jié)礦區(qū)的地層條件，礦區(qū)可能的導水構(gòu)造的一般形態(tài)與地層之間關系如圖1所示。

(1)波場特征。覆蓋土層及風化巖層的壓縮波速在1000～2000 m/s之間，中、微風化及新鮮巖層的壓縮波速大于4000 m/s。斷裂構(gòu)造、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶內(nèi)壓縮波速顯著低于圍巖(中、微風化及新鮮巖層)，一般在2000～3000 m/s之間。斷裂構(gòu)造、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶與圍巖(中、微風化及新鮮巖層)之間存在較明顯的波速差異。

圖1 導水構(gòu)造與地層關系示意

(2)電性特征方面。覆蓋土層及風化巖層的電阻率一般小于100 Ωm，中、微風化及新鮮巖層的電阻率大于1000 Ωm。中、微風化巖頂界面是明顯的電阻率差異界面。斷裂構(gòu)造、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶內(nèi)電阻率顯著低于圍巖(中、微風化及新鮮巖層)，一般小于1000 Ωm，為傾斜的板狀低阻體。斷裂構(gòu)造、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶與圍巖電性差異明顯。

根據(jù)礦區(qū)含水構(gòu)造及圍巖物性特征，先采用淺層地震折射法對斷裂、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等導水構(gòu)造的平面位置進行普查;然后再采用音頻大地電磁法進行詳查，探明導水構(gòu)造的產(chǎn)狀、規(guī)模、深度、富水性等。

采用的主要儀器設備有美國Geode淺層地震儀，美國EH4連續(xù)電導率剖面儀，國產(chǎn)RS－ST01C非金屬超聲檢測儀。完成的實物工作量主要有:測線測量，28組日，測線總長27500 m;地震折射法，20521檢波點·炮(測線總長23570 m);音頻大地電磁法，388點;巖芯室內(nèi)波速測試，8件;巖芯室內(nèi)電阻率測試，8件。

3.3 物探勘查結(jié)果及驗證

經(jīng)過對物探資料、地面調(diào)查資料、前期資料的綜合研究，將黃屯硫鐵礦物探異常按區(qū)域劃分為4類:異常帶、低速異常區(qū)、低阻異常區(qū)和異常段(點)。共劃分導水構(gòu)造13條，并根據(jù)鉆孔揭露情況推斷劃分為8 條斷層:F1、F2 －1、F2 －2、F3、F4、F5、F6、F7，和5 條破碎帶:Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5(見圖2)。

經(jīng)過2012年至2013年礦區(qū)水文地質(zhì)勘探鉆孔驗證，礦區(qū)西北角低速異常區(qū)主要是由該區(qū)第四系松散堆積層厚度大(20～95 m)所致;物探劃分的構(gòu)造破碎帶經(jīng)鉆探、群孔抽水試驗揭示，均存在，如F3斷層的導水性，F(xiàn)p1－Fp5破碎帶均認為是礦區(qū)內(nèi)的地下水主徑流帶。

圖2 物探推斷解釋的地質(zhì)構(gòu)造位置示意

4 結(jié)論

淺層地震折射和音頻大地電磁綜合物探方法克服了單一物探手段的局限，有效揭示了黃屯礦區(qū)導水構(gòu)造的位置、寬度、傾角、傾向，共劃分導水構(gòu)造13條。經(jīng)過后期鉆探驗證，解譯結(jié)果與實際情況吻合，證明該方法對于此類復雜大水金屬礦山是技術可行、經(jīng)濟合理的物理勘探方法。

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