瞬變電磁法在某鐵礦山采空區勘查中的應用

趙宗義，張 龍，景 勇，郭海兵

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瞬變電磁法在某鐵礦山采空區勘查中的應用

趙宗義1，張 龍1，景 勇2，郭海兵2

(1.大明礦業集團股份有限公司，新疆 哈密市 839000；2.新疆有色地質勘查局七0四隊，新疆 哈密市 839000)

由于歷史上前人多采用空場采礦法、潛孔留礦法進行采礦，多處存在老采空區。經過長時間的重力作用，致使部分老礦房垮塌，地表受垮塌影響，出現塌陷及斷裂。隨著時間的推移，塌陷、裂縫均有繼續發展趨勢，危及井下礦山安全生產和地面基礎設施及工作人員安全。為了基本查明垮塌范圍及垮塌形成的采空區，采用瞬變電磁法(TEM)勘探采空區位置及形態。根據采空區垮塌形態的不同以及填充物的不同，采空區位于視電阻率等值線扭曲部位，隨著填充物的不同，特征表現為中高阻，與周圍視電阻率等值線特征明顯不同。

瞬變電磁法；采空區；視電阻率

瞬變電磁法(TEM)屬于時間域電磁法之一，是一種建立在電磁感應原理基礎上的人工源電磁探測方法。它通過不接地回線(磁源)或接地線源(電偶源)向地下發送一次脈沖磁場(通常稱為一次場)，在一次場的激發下，地下地質體中會產生感應渦流，這種渦流會隨著時間變化的產生感應電磁場(通常稱之為二次場)。由于二次場包含有地下地質體豐富的地電信息，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次場(或稱響應場)，通過對這些響應信息的提取和分析，從而達到探測地下地質體的目的。顯然，這種方法所研究的是響應場和時間的關系，故把其稱之為時間域電磁法。由于一次場和二次場均具有瞬時變化的特點，故把其稱為瞬變電磁法。

1 地質和礦體概況

礦區地層主要為上元古界青白口系天湖群第三組的變質巖系，其次為中元古界薊縣系卡瓦布拉格群的碳酸鹽巖，二者呈斷層接觸。地層走向近東西向，傾向北，傾角50°～80°。礦區內主要構造線受區域構造控制，以近東西走向、向北陡傾的單斜構造為主。褶皺不發育，無明顯褶皺。斷裂較發育，主要斷裂對礦床影響不大，僅地表及淺部礦層受到斷裂破壞。破碎帶也較發育，多集中于蓋層及淺部礦層附近。礦區內侵入巖以華力西花崗巖為主，次為閃長巖。按其侵入序次：華力期中期第一侵入次有暗綠色閃長巖，第二侵入次有灰色混合巖化斜長花巖，第三侵入次有肉紅色?磚紅色似斑狀花崗巖和肉紅色混合巖化花崗巖，第四侵入次有灰綠色二長花崗巖和米黃色花崗巖。

礦區以Ⅰ號礦體規模為最大，分上、中、下3層礦，單層礦厚度一般2～10 m，最大厚度為24.56 m，全鐵品位32.19%～50.87%。礦體埋藏深度距地表200～1000 m，為一大型盲礦體。礦體三維形態見圖1～圖3。

圖1 礦體正面視圖

圖2 礦體45°俯視圖

礦體呈似層狀及大透鏡體狀，在詳勘區內沿走向長達1200 m，沿傾向從1380 m標高向下延伸至590 m標高以下，延伸長度達1000 m。礦體總體走向為100°，從東至西均無較大變化，僅在42線以西轉為東西向，其走向方位變化不超過10°。礦體傾角為上緩下陡呈有規律變化，一般為70°～80°，淺部為50°～60°，深部為80°～85°。從45至54線礦體在中深部(1090~1190 m標高)沿傾向略呈起伏不大的舒緩波狀產出，尤以下礦層底板較明顯，往中、上礦層則逐漸消失。在橫向上，礦層與礦層之間，產狀亦呈有規律變化。由下礦層至中上礦層，傾角由大變小，一般下礦層比中礦層大2°～4°，中礦層又比上礦層大2°～3°。礦體厚度總的變化規律是中部厚，沿走向往東、西兩端逐漸變薄，沿傾向由淺往深由薄變厚，在1340 m標高以上多變薄尖滅，940 m標高以下略有變薄。區內上、中、下3層礦體之間的距離，上礦層與中礦層一般為1.59～3.52 m，平均2.79 m；中礦層與下礦層一般為3.06～10.03 m，平均7.73 m。

圖3 礦體正上方視圖

2 資料解釋及應用效果

根據礦山資料，在已知的采空區上方進行方法性剖面試驗，選取測線502，線長800 m，測線方向為0°。地表裂縫發育在測點812～852之間(見圖4)，裂縫整體大致走向呈近東西向，呈網狀發育，地表為第四系覆蓋及黏土化特征，電阻率為低阻特征，阻值小于400 Ω?m。測點840北側為地層的塌陷帶，地表特征為測點北側地層整體向下塌陷1～2 m，塌陷帶北側地表裂隙較發育。結合構造地質學以及應力學推測該網狀裂隙是由地表塌陷對周圍力的作用引起的。TEM二維反演斷面圖特征為斷裂構造，構造向北陡傾，塌陷帶深部向北延伸且延伸深度大于500 m。地表特征與該異常相吻合。

圖4 天湖鐵礦502線TEM二維反演成果

已知采礦部位位于測點804～820，礦體傾向為北陡傾。結合二維反演斷面圖得出含礦部位位于石英片巖、片麻巖、圍巖等南梯度帶。該異常梯度帶變化較大。該采礦部位為已知采空區，該采空區電阻率異常特征為中高阻異常，異常值約10000～15000 Ω?m，與實際相吻合。已知采礦部位南側該異常是由運輸巷道引起，電性特征為中高阻異常，異常值變化范圍3000～5000 Ω?m。測線南側低阻異常是由供電線引起，由電磁干擾引起的。與供電線實際位置相吻合。綜上分析，已知采空區部位與二維反演斷面圖相吻合。根據二維反演斷面圖有效信息推測以下結果：

(1) 地表至200 m，標高約1460 m以上為塌陷滑落區以及緩沖區。

(2) 測點816～824，標高約1400，1288，1190，1100 m推測為4個塌陷空區(見圖4)。

3 結 論

(1) 瞬變電磁法對于圈定礦山老采空區位置及形態具有較好的效果。

(2) 剖面法可以推斷采空區縱向特征，結合平面特征能夠圈定采礦區的位置及形態特征。

(3) 通過剖面性試驗，瞬變電磁法在鐵礦區進行探測，一般會產生低阻屏蔽效應，所以建議在野外工作時，應該盡量多做一些試驗工作，適當加大電流，選取合理的參數。

通過本次工作，在縱向探明了不同標高采空區位置及形態特征，為以后的治理提供了理論依據。

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(2019?02?22)

趙宗義(1991—)，男，甘肅天水人，助理工程師，主要從事礦山開采與安全生產管理工作，Email: 605317344 @qq.com。