多種勘察技術在龍歸硝鹽礦采空區的應用研究

李松洲

（廣東煤炭地質二〇二勘探隊，廣東 廣州 510800）

在進行大型永久性工程建設前，必須對工程項目所在的區域進行地質勘察，特別是一些在礦區采空區附近的工程，地質資料更要詳實準確。礦區采空區在地下礦產被采掘后，在采掘區內的巖層內部形成空洞，這樣就造成在礦區形成塌陷區、地裂隙帶，特別是對經過這個范圍的地下軌道交通工程形成巨大的地質安全隱患。為了保證采空區地質勘察的準確性和科學性，往往采用多種勘察技術相結合的方式，這樣在勘察過程中起到相互驗證的作用，從而實現對勘測資料的全面分析。下面該文將介紹高密度電法、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、綜合測井等幾種技術的簡要原理，結合它們在龍歸硝鹽礦采空區勘察中的應用效果，闡述多種勘察技術在龍歸硝鹽礦采空區勘察中起到的重要作用。

1 勘察技術

1.1 高密度電法

高密度電法測量法是以地下介質導電性差異為基礎，通過觀測和研究這些差異以及人工電場的分布規律，可達到查明地下地質構造和尋找地下典型不均勻體（巖溶、風化層、滑坡體等）的一種地球物理勘探方法[1]。

在高密度電法中，如果表現為高電阻率，低極化率說明被測采空區內水分含量低；如果表現為低電阻率，高極化率[2]，說明被測采空區水分含量高地質比較松軟，這也是激電勘探的物理基礎[3]。

1.2 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）

可控源音頻大地電磁法（簡稱 CSAMT 法）是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場分量的一種電磁測深方法[4]。

1.3 綜合測井

綜合測井就是對鉆孔揭露的地層層序進行劃分和標定，利用測井資料進行地質構造和斷層研究，完成鉆孔綜合柱狀圖[5]。

2 多種勘察技術在龍歸硝鹽礦采空區的應用實踐

2.1 工區概況及野外采集

龍歸硝鹽礦采空區位于廣州市白云區太和鎮永泰莊、高橋莊一帶，礦山準采區位于龍歸礦區南礦段，面積為3.084 km2。礦區處于珠江三角洲廣從斷裂帶控制的龍歸盆地南部，該盆地呈北東向狹長狀展布，長約 46 km，最寬可達 9 km，面積為206 km2。該盆地沉積了一套厚度較大的以河湖相為主的下第三系碎屑巖，基底及邊緣由古、中生界和燕山期花崗巖組成。該硝鹽礦自 1994年水溶法開采以來，地面沉降累計最大量達到 1 016 mm，并且沉降仍在持續發展，在開采區及周邊約4 km2范圍調查結果可見建（構）筑物出現裂縫、傾斜以及開采井管地面發生震動等現象，根據對以往勘察資料的研究，認為此處采空區地質狀況比較復雜，因此決定采用高密度激電、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、聲納探測和綜合測井等幾種技術進行勘探。

該次高密度激電法勘察中使用深圳市賽盈地脈技術有限公司生產的 GD-10 高密度電法測量系統進行觀測，選用施倫貝謝爾裝置測量。勘探的工作參數電極距 a=10 m，點距 10 m，最小隔離系數為 n=1，最大隔離系數 n=25。供電波形為方波供電。供電電壓：450 V。測量時接地電阻小于2 kΩ，局部地段接地電阻小于4 kΩ，測量電位差大于10 mV。該區實測測線長 3.32 km，共 4 條測線，測點 328個，檢查點 11 個，檢查率 3.35%，

在可控源音頻大地電磁法（CSAMT）勘察中采用美國Zonge 公司生產的 GDP-32 Ⅱ多功能電法儀，該次 CSAMT測量選定了以下工作參數——電源陷頻濾波器：50/5，采用 50/5 濾波器壓制 50 Hz 的 5 次諧波干擾，以壓制低頻干擾。工作頻率：1 Hz ～8 192 Hz；采用加密頻點，f=2n Hz（n=0、1、2、…13）；加密頻點測量有利于掌握數據變化規律。發射電流：低頻段均為 23 A，中高頻段大于10 A；高頻段大于4 A；大發射電流有利于提高信噪比。收發距：結合之前的試驗成果，該次 CSAMT 測量收發距在 5 km～8 km；短收發距有利于提高信噪比，同時收發距能滿足 600 m 探深的需求。疊加次數: 16～16 384 次；在強干擾條件下，數據采集采用多次采集、單次少疊加較為合適。野外工作測量時，接收機、操作員等遠離 ANT/6 型磁探頭 5 m 以上；風力較大時采取墊平、掩埋等措施，減小了探頭震動。磁探頭定向采用森林羅盤，保證了定向準確度達 1°。選擇土壤潮濕處埋設供電電極，并在導電材料上澆鹽水，壓實坑土，保證電極接地良好，電阻小于30Ω。

綜合測井方法技術采用中裝集團重慶地質儀器有限公司生產的 JGS-1B 型智能工程測井儀。根據任務要求及選擇的測井方法，配備使用的主要儀器數字采集記錄儀（JGS-1B）、聲波探管、電位電阻率（JD-1）、井溫流體電阻探管（W422）、組合密度探管（M552）、流量探管（LLY-1）井斜儀（JCX-3）和井陘。測井內容包括聲波測井、核測井、自然電位測井、井溫測井、井徑測量和流量測量。

2.2 對龍歸硝鹽礦采空區實測資料解釋

龍歸硝鹽礦采空區是水溶法開采以來采集形成的空洞，通過該次高密度電法測量，了解龍歸硝鹽礦段壓覆的礦區西北部地段80 m 以淺的電阻率分布特征，詳細劃分其電性層，將其分別推斷為第四系覆蓋層、砂巖、泥巖或泥巖與地下水。根據反演電阻率斷面來看，電阻率明顯呈層狀分布，由上至下可分為3 層：第一層為淺部低阻層，厚度小于 5 m；第二層為相對高阻層，厚度在 15 m ～30 m ；第三層為下部低阻層。推斷5 m 以淺的低阻為第四系覆蓋層的反映，第二層相對高阻層推斷為砂巖的反映，下部低阻層推斷為泥巖或泥巖與地下水共同引起。

通過 CSAMT 測量，大致了解了測區電阻率分布特征，分別對測區 24 條測線進行了詳細的解釋推斷，推斷8 個溶腔的平面位置分布特征，圈定了一個溶蝕區，一個低阻異常區：其中溶蝕區面積約 0.12 km2，低阻異常區面積約 0.17 km2，溶蝕區溶蝕程度較大。將整條測線根據電性特征以及側向電阻率曲線分布情況劃分為5 個層位。一層：位于標高 0 m 以淺，電阻率在 30 Ω·m～80 Ω·m ，推斷為第四系覆蓋層；二層：位于標高-50 m～0 m ，電阻率在 20 Ω·m～300 Ω·m ，近似水平層狀分布，結合地球物理特征及鉆孔揭露情況，推斷為砂巖引起。三層：位于標高-300 m～-50 m ，推斷為砂巖與泥巖互層引起。四層：位于標高- 600 m～-160 m ，電阻率小于 10 Ω·m，這一層位主要以泥巖為主，硝鹽礦層主要賦存在泥巖之中5層：位于標高-460 m 以下，電阻率大于 10 Ω·m，該層位于硝鹽礦之下，本層上部也受采鹽的影響導致電阻率偏低，往深部電阻率逐步增大，根據鉆探情況，巖性主要以泥巖為主，部分鉆孔揭露區內泥巖之下存在隱伏灰巖。推斷泥巖段目前的地質狀況是由于“水溶法”開采形成溶腔后，殘留的鹽水受上覆破碎的泥巖塌陷填充擠壓往上浸入引起的，形成的溶腔已被破碎的泥巖充填，充填后溶腔內鹽水往上浸入，導致低阻異常中心位于硝鹽礦上方。該層位位于硝鹽礦之下，該層上部也受采鹽的影響導致電阻率偏低，往深部電阻率逐步增大，根據鉆探情況，巖性主要以泥巖為主，部分鉆孔揭露區內泥巖之下存在隱伏灰巖。

通過綜合測井測量，可以推斷得出該礦區采空區第三含水層直接接觸主采鹽層，多以泥質礫巖為主，頂板破碎，水系極易連通，在水溶法開采擾動下自然平衡易遭受破壞，將可能發生地裂縫、地面沉陷。鹽穴形成一般會經歷采空-地應力變化-頂板變形-頂板及上覆地層垮塌-地面沉降的過程，特別是在開采形成采空區后，礦鹽仍會進一步發生溶解、軟化，頂板、夾層有可能垮塌，垮塌后的泥巖在水中會軟化，無法對上部巖石產生支撐，在新的空間，又有可能產生新的垮塌，使垮塌穹頂慢慢升高，從而可能加速地面沉降。

2.3 對龍硝鹽礦采空區實測的綜合解釋

綜合高密度激電法、CSAMT 和綜合測井共同確定內泥巖電阻率低，硝鹽礦層主要位于泥巖中，由于礦區采用“水溶法”進行開采，將鹽礦層溶解并抽出后會在泥巖中形成溶腔，溶腔上覆地層會因壓裂而垮塌，將溶腔充填，泥巖遇水后體積增大，導致溶腔被松散的泥巖填滿，溶腔內殘留的鹽水會沿松散的泥巖向上浸入，導致巖層上方電阻率與鹽礦層附近相當甚至更低；如果溶腔上部泥巖未垮塌，溶腔內充填的鹽水也會形成厚大的低阻層。

3 對龍歸硝鹽礦采空區的實際測量結論

多種勘察方法的使用，大大地彌補了單一勘測方法資料片面、無法多方面解釋勘察結果的缺點。高密度激電法可以通過電阻率斷面分析地層巖層及地下水的分布，通過CSAMT 可以反映采空區的位置，而通過綜合測井了解采空區內的巖石結構、分布和性質。多種物探方法可以互相驗證，互相補充，從而提高勘探精度，保證物探成果的準確度。

4 結語

由于地質結構的復雜性，在進行物探后可能存在多種解釋，為了做到對地質結構解釋的科學性，必須通過多種勘察手段進行全面勘察，才能達到更好的效果，最大限度地減少地質分析解釋的多重性，因此在進行勘察時要對工作布置、野外數據采集、資料處理、異常解釋、鉆孔布置等各環節均仔細研究，檢測設備的工作參數需通過試驗進行選擇，尤其在地質情況較復雜的區域，在勘察中的每個環節必須做到有科學依據的支撐，并在資料處理及解釋均綜合各地質因素進行全面分析，才能獲得準確的地質勘察數據。