活性炭測氡及瞬變電磁法在礦山采空區調查中的應用研究

陳興峰，武興隆，張 彥

（天津華北地質勘查局核工業二四七大隊，天津 301800）

近年來，隨著我國社會經濟不斷發展，對金屬資源需求量越來越大。在一些礦山開采礦炭過程中，隨著礦炭不斷運出，形成礦山采空區。如礦山采空區不再進行加固，且不進行回填，將會造成一定地質災害[1]。例如地面塌陷、沉降，形成積水。對礦山采空區探測物探方法進行分析研究，有利于為目前地質災害治理提供幫助。

1 調查區環境地質概況

調查區總的地勢為南高北低。調查區地貌單元類型單一，微地貌形態較復雜。區內溝谷縱橫，切割強烈，沖溝發育，呈樹枝狀分布。

小南村井田地表為黃土半掩蓋區，基巖多出露于溝谷兩側。根據區域地質資料和地表出露情況，井田內地層由老到新依次為下古生界奧陶系，上古生界石炭系和二疊系及新生界第四系。

本區含礦地層為石炭系本溪組、太原組，石炭系本溪組、二疊系山西組因沉積環境限制，礦層極薄，且自然分層復雜，連續性較差，無開采價值。主要含礦地層為太原組，厚度87m～118m，含可采或局部可采礦層2層，編號由上而下為2號礦層、5號礦層。小南村礦區批準開采礦層為一層，即5號礦層。

小南村井田位于南山礦區東北部，經地面勘查及井下揭露，地層傾角10°～15°，平均12°左右，為緩傾斜地層。井田面積較小，所在區域經過的斷裂較少，井田內未發現陷落柱，無巖漿巖體侵入。除了梁家溝斷層以外分布5條小斷層。

本礦區位于中山區與地表分水嶺處，大氣降水量少，地表蒸發量大，人口不多，無工礦企業大量取水，小南村礦山業已停止生產，排出的地下水水量很小且做為當地居民的生活用水，在這種自然環境條件下，均保持自然補給、徑流、排泄狀態。

2 活性炭測氡及瞬變電磁法

2017年，在小南村調查區開展比例尺為1∶5000(測網：（50m×10m）的活性炭測氡工作。測線170°布設，調查區面積為0.68km2，共獲取428個測點氡濃度數據。瞬變電磁測深選取9號氡測線的同點位測量，取得14個數據。

2.1 活性炭測氡理論依據

當地下礦層被采出后破壞了巖體中原有的天然應力狀態，逐漸產生巖石破碎帶、斷裂，進而改變了地下地質體的應力分布狀態，促使地質體發生變形，從而改變了地下氣體的運移與集聚環境，對氡氣的運移與富集具有一定的控制作用[2]。主要表現為三個方面，儲氣、集氣、通道作用。通過上述作用，氡射氣元素向巖石斷裂破碎帶運移，在裂隙集聚，在地表形成一個與采空區形態相應的氡異常區。

2.2 瞬變電磁測深理論依據

根據地質資料可知勘探區內地層從新到老依次為新生界地層，古生界二疊系上統上石盒子組、下統下石盒子組和山西組、石炭系上統太原組、中統本溪組及奧陶系中統峰峰組。當地層完整，沒有地質構造及采空破壞時，電阻率斷面電性特征明顯從上到下逐漸升高。地下的礦層被采出后，在巖層內形成一個有一定規模的空間，與圍巖相比，采空區的電阻率為無窮大，會出現相對高阻異常區。但是隨著時間的推移，上覆巖層就會在地球重力的作用下逐漸斷裂、塌陷，地下水就會侵入，采空區的電阻率隨著發生變化，會出現相對低阻異常區。因為采空區存在這樣電阻率差異的前提，因此本次勘探選擇對電阻率差異反映比較敏感瞬變電磁進行施工。據收集的資料得知整套地層的電阻率在縱向上呈現為低～中～高的特征反映，為A型(如表1)。本區的瞬變電磁勘探背景條件較好，具備瞬變電磁勘探的地球物理前提。

表1 調查區地層電性一覽表

3 采空區斷面解釋

3.1 采礦層特征

太原組為本井田主要含礦地層。2號、5號礦層為可采礦層，批準采礦層為5號礦層，特征是：采空區主要位于礦區南部，由南山礦山采礦活動形成，底板標高1160.79m～697.50m深247.12m～564.82m礦 層 厚 度6.26m～13.26m，平均為9.70m。采空區總面積約1.02km2；靠近南部地表礦層露頭附近，有大片的采空及破壞區。

3.2 采空區異常特征及解釋原則

通過調查區試驗總結出采空區TEM異常特征為：①表現為視電阻率的橫向分帶性，視電阻率值沿測線具有一定的變化；②低阻異常特征；③形態上表現為向下彎曲低阻及相對低阻。因此在TEM視電阻率斷面圖上具有上述特征的異常均推斷為采空（破壞）區。活性炭測氡法氡值異常特征：①氡值一般明顯偏高；②氡值無規律跳躍區域。總結試驗采空區特征，排除相對異常問題，保證解釋具有較好的客觀性。同時考慮到瞬變電磁法早期信號存在一定的盲區，會缺失淺部地層地質信息。須結合試驗采空TEM異常特征、氡異常特征和地質調查結果，對調查區的TEM視電阻率斷面圖及氡濃度等值線圖進行綜合解釋，劃出異常空間分布。

3.3 采空區推斷解釋

圖1 氡濃度等值線圖

數理統計得，調查區氡濃度值在157.1Bq/m3～25761.1Bq/m3之間，背景值為1443.8Bq/m3，標準偏差為658.4Bq/m3，變異系數為0.46。以活性炭氡濃度2000Bq/m3左右為異常下限，可圈出3處異常區（見圖1）。由圖可知，調查區氡濃度異常分布規律性較明顯，大致呈北東45°方向展布，和地質勘測采空區范圍及形態基本吻合。異常氡濃度值最高的是YCQ-2，推測這處采空區空間分布相對較大。

為了解采空區的含水情況及垂向分布特征，沿活性炭測線9線12點～60點布設瞬變電磁測深工作，對其成果解釋如下：

圖2為900線電阻率反演面圖，圖中電阻率等值線出現向下凹陷且等值線變密特征的區段主要在9線的2000號～2100號、2110號～2200號、2340號～2450號、2490號～2640號測點之間，電阻率值相對較低，與采空區電性特征反映極為相似，推測為5號礦層采空區的電性反映。特別是在2340段～2450段，等值線下凹尤為明顯，存在積水的可能性較高。

圖2 9線瞬變電磁法電阻率反演斷面圖

ZK-1鉆孔布設于瞬變電磁測深9線2340段～2450段。經施工驗證發現鉆孔全孔漿液消耗量偏大，且鉆孔所取巖芯破碎，鉆孔在距地面108.33m深度以下出現泥漿全漏、消耗量為全泵量，出現突然發生掉鉆、埋鉆情況甚至無法取芯等現象，與物探推測5號礦層采空區位置一致。

4 結論

在礦山采空區探測應用活性炭測氡是一種較高效、實用的物探方法，它能夠有效解決采空區范圍分布問題；瞬變電磁法作為一種時間域的電磁勘探方法，具有信噪比高、穿透高阻能力強等優點，能夠有效反映深部采空區信息。通過兩種方法的優勢互補，一定程度可有效圈定積水重點地段，為鉆孔布設提供一定依據，同時鉆孔驗證結果佐證了物探方法是有效的。