平守國(guó) 王永增 張忠海 郭 凱 孟磊磊

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧鞍山114001；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

齊大山鐵礦是鞍鋼大型露天鐵礦之一，同時(shí)也是鞍本地區(qū)開(kāi)采歷史最悠久的礦山之一，目前屬于典型的大型深凹露天采坑。由于該礦在日偽時(shí)期遭受到掠奪性開(kāi)采，導(dǎo)致在礦山采區(qū)的南幫遺留著較多不明采空區(qū)，采空區(qū)的存在給礦山生產(chǎn)帶來(lái)了極大安全隱患。值得一提的是，2019 年1 月19 日，齊大山鐵礦南幫涌水，水從南幫-180 m 水平（離采場(chǎng)約60 m 高差）進(jìn)入采場(chǎng)，72 h 蓄水量約11 萬(wàn)m3。此后水流維持在400 m3/h 左右，對(duì)露天采場(chǎng)作業(yè)造成了較大危害。通過(guò)前期調(diào)查分析得出，此次涌水主要是含水構(gòu)造與南幫下部的采空區(qū)連通，造成采空區(qū)大量充水所致。但含水構(gòu)造為隱伏狀態(tài)，規(guī)模大小難以用常規(guī)手段查明。由于含水構(gòu)造帶與周?chē)刭|(zhì)環(huán)境存在明顯的物性差異（如電性差異等），為利用地球物理勘探技術(shù)進(jìn)行探測(cè)提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

近年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)于地球物理勘探技術(shù)的應(yīng)用方面進(jìn)行了大量卓有成效的探索。唐新功等［1］對(duì)瞬變電磁法找水進(jìn)行研究，確認(rèn)瞬變電磁法對(duì)地下水的探測(cè)能力比較靈敏，可以勝任找水的工作，也可用于對(duì)地下水水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。甘伏平等［2］利用電法、淺層地震發(fā)射法、跨孔電磁波透視的綜合物探方法對(duì)地下水流通道進(jìn)行了探測(cè)，確定了在不同情況下的最優(yōu)探測(cè)方法組合。武毅等［3］對(duì)西南巖溶地區(qū)的不同含水介質(zhì)進(jìn)行了研究，提出了不同含水介質(zhì)的地球物理勘查技術(shù)組合方案，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了其實(shí)用性。劉文波等［4］在荒漠地區(qū)使用瞬變電磁法對(duì)地下水進(jìn)行探測(cè)，為沙漠地區(qū)鉆井位置選取和施工提供了重要依據(jù)。張胤彬等［5］采用瞬變電磁法對(duì)小煤窯內(nèi)的采空積水區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，表明瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面具有良好的應(yīng)用效果。高陽(yáng)等［6］對(duì)渝東南巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造的高密度電阻率法異常特征進(jìn)行了分析，并總結(jié)該了地區(qū)常見(jiàn)的4類高密度電法異常形態(tài)，為提高巖溶石山地區(qū)找水的成井率提供了理論依據(jù)。黃國(guó)民等［7］在廣西碎屑巖地區(qū)利用電法進(jìn)行找水工作，總結(jié)了碎屑巖地區(qū)的電法找水經(jīng)驗(yàn)，并為今后碎屑巖地區(qū)開(kāi)展電法找水工作提供了參考。上述研究主要集中于找水、煤礦水文地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等方面，對(duì)于鐵礦山內(nèi)與采空區(qū)相連的含水構(gòu)造帶的探測(cè)較少涉及。本研究以齊大山鐵礦南幫含水構(gòu)造帶為探測(cè)對(duì)象，應(yīng)用綜合地球物理勘探技術(shù)進(jìn)行含水構(gòu)造帶的先導(dǎo)性探測(cè)研究，確定含水構(gòu)造帶的位置及其與采空區(qū)之間的連通關(guān)系，解決鐵礦山內(nèi)隱伏的水文地質(zhì)工程問(wèn)題，為確保該礦安全生產(chǎn)提供有益參考。

1 探測(cè)區(qū)概況與探測(cè)技術(shù)

1.1 探測(cè)區(qū)概況

齊大山鐵礦床是典型的“鞍山式”沉積變質(zhì)型鐵礦床，規(guī)模巨大，鐵礦石資源十分豐富。鐵礦床主要賦存于前震旦系變質(zhì)巖系內(nèi)，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，出露的地層有太古界鞍山群和元古界遼河群，上部地層主要被第四系沉積物覆蓋。礦區(qū)的區(qū)域變質(zhì)程度為綠片巖相—低角閃巖相，圍巖蝕變較為常見(jiàn)，蝕變礦物主要有絹云母、石英、綠泥石等礦物，鐵礦的主要產(chǎn)出地層為鞍山群櫻桃園組，具體地層分布如圖1（a）所示。齊大山鐵礦的含礦地層為單斜構(gòu)造，局部倒轉(zhuǎn)，走向300°～340°，傾向SW，傾角70°～90°［8-10］。由于區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，且開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，在不同深度存在大量的地下采空區(qū)。斷裂構(gòu)造如與空區(qū)及地表水系相連，則存在地下含水構(gòu)造的可能性非常高。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，區(qū)內(nèi)無(wú)較大的地表水體，僅在西南側(cè)有一條小河，該河常年流水，且流量受季節(jié)影響。礦層主要為裂隙含水層，透水性良好，地下水主要通過(guò)大氣降水、孔隙水、裂隙水以及近河地段的河水補(bǔ)給。地下水以徑流形式排泄，其流向?yàn)榻麰W 方向，主要依靠重力作用提供動(dòng)力，水流大致沿地形坡度方向流動(dòng)。本研究探測(cè)區(qū)位于齊大山鐵礦采場(chǎng)南幫，如圖1（b）所示。在其附近有一條小河（大青溝）垂直于齊大山鐵礦的走向方向（近SN 方向），是采場(chǎng)南幫唯一的地表水水源，在某種程度上可以作為礦區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源。

1.2 探測(cè)技術(shù)方案

為探明齊大山鐵礦南幫含水構(gòu)造帶的分布情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，盡可能垂直于礦體走向，沿采場(chǎng)南幫唯一的地表水水源（大青溝）邊緣布置測(cè)線，如圖2所示。同時(shí)依據(jù)實(shí)際勘察情況與工區(qū)地球物理探測(cè)條件，結(jié)合含水地質(zhì)體的低阻地球物理特征，提出了高密度電阻率法和瞬變電磁法相結(jié)合的地球物理勘探工作方法。具體的探測(cè)方案為：沿大青溝已知河流兩岸布置兩條平行的高密度電阻率法測(cè)線，點(diǎn)距4 m，測(cè)線長(zhǎng)度240 m，應(yīng)用60 道電極進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；并沿大青溝南岸布置瞬變電磁法測(cè)線一條，線圈邊長(zhǎng)為4 m×4 m，發(fā)射線圈20匝，接收線圈9匝，主要基于瞬變電磁法的低阻敏感性對(duì)高密度電阻率法探測(cè)出的含水構(gòu)造異常進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 探測(cè)技術(shù)工作原理

1.3.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖（礦）石之間的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究與該類電性差異有關(guān)的電場(chǎng)分布特征和變化規(guī)律，來(lái)探明地下地質(zhì)體的分布情況［11-12］。高密度電阻率法探測(cè)裝置類型多樣［13］。為獲取較為豐富的地質(zhì)信息，同時(shí)確保探測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本研究對(duì)高密度電阻率法選用采集數(shù)據(jù)可靠性程度高的溫納裝置（Wenner Alpha）進(jìn)行探測(cè)，其數(shù)據(jù)采集過(guò)程及數(shù)據(jù)斷面如圖3所示。

1.3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射脈沖電磁波作為一次電磁場(chǎng)。在一次電磁場(chǎng)的作用下，地下導(dǎo)電體內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生渦旋電流，由于在一次脈沖磁場(chǎng)的間隙期間，渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)不會(huì)隨一次電磁場(chǎng)的消失而立即消失。在此期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V 和時(shí)間t 之間的關(guān)系，得到二次場(chǎng)隨時(shí)間的衰減變化特性曲線。根據(jù)二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的衰減曲線特征判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征和空間形態(tài)，從而分析出地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性能及其位置，達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體、解決地質(zhì)問(wèn)題的目的［14-16］，其工作原理如圖4所示。瞬變電磁法較其他常規(guī)電法而言，具有穿透能力較強(qiáng)、不受地形影響等特點(diǎn)，且對(duì)地下低阻異常敏感，適用于地下找水、探測(cè)含水構(gòu)造帶、識(shí)別充水型采空區(qū)等工作［17-18］。

本研究依據(jù)探測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地球物理勘探條件，選用多匝重疊回線裝置進(jìn)行探測(cè)。重疊回線裝置是由兩個(gè)大小、形狀完全相同，在空間上重疊在一起的發(fā)射線框（Tx）和接收線框（Rx）組成，在測(cè)量過(guò)程中沿探測(cè)剖面同步移動(dòng)，如圖5所示。

1.4 探測(cè)技術(shù)參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集

本研究現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)高密度電阻率法采用國(guó)產(chǎn)DUK-2A 電法勘探系統(tǒng)，為集中式布線設(shè)備，適用于在野外復(fù)雜地質(zhì)條件下使用，且操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。為保證探測(cè)深度和精度，依據(jù)接地電阻實(shí)際情況，供電電壓設(shè)定為400 V，工頻干擾壓制為50 Hz，采樣裝置最小隔離系數(shù)為1，最大隔離系數(shù)為19，采樣供電為雙波形直流電，每條線可以采集數(shù)據(jù)高達(dá)570個(gè)。

瞬變電磁法采用澳大利亞進(jìn)口的TerraTEM 設(shè)備，該設(shè)備可設(shè)置更多的時(shí)間窗口區(qū)間，單位時(shí)間內(nèi)采集信息分辨率高，外加快速增強(qiáng)的關(guān)斷時(shí)間裝置，適用于對(duì)淺—中層地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)，且對(duì)低阻體十分敏感［19-20］，適合對(duì)含水構(gòu)造帶進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)場(chǎng)地條件和探測(cè)深度要求，調(diào)整設(shè)定的發(fā)射電流5 A，關(guān)斷時(shí)間為0.8 ms，50 Hz 工頻干擾壓制，128 次數(shù)據(jù)采集疊加，單點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣窗口達(dá)89個(gè)，可以獲取高達(dá)50個(gè)空間數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2 基于探測(cè)區(qū)地質(zhì)-地球物理特征的理論模型正演模擬

本研究選用數(shù)值模擬方法對(duì)地下含水構(gòu)造帶的異常特征進(jìn)行分析，建立高密度電阻率法含水構(gòu)造帶探測(cè)理論模型，如圖6（a）所示。在所建立的理論模型中，設(shè)定電極數(shù)為60個(gè)，電極間距為4 m，含水構(gòu)造帶位于水平方向76～118 m、埋深7.5～60 m 范圍內(nèi)，寬度4 m，與垂直方向夾角約39°，圍巖與含水構(gòu)造帶依據(jù)電性差異，其電阻率分別設(shè)定為100 Ω·m 和10 Ω·m，數(shù)據(jù)采集裝置為溫納裝置。并選用有限單元法對(duì)理論模型進(jìn)行正演模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖6（b）所示。

在溫納裝置正演電阻率剖面圖中，在模型設(shè)定范圍內(nèi)有明顯的低阻異常顯示，視電阻率為86.9～92.6 Ω·m，探測(cè)模擬低阻區(qū)域較理論模型設(shè)定范圍稍有增大，但輪廓清晰，呈近似橢圓狀分布，且整體向左側(cè)深部延伸，與理論模型一致，為含水構(gòu)造帶電阻率異常特征顯示。同時(shí)，在該低阻區(qū)域右側(cè)有一范圍較小、連續(xù)性好、呈狹長(zhǎng)狀的次低阻異常顯示。根據(jù)上述正演模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)果與理論模型設(shè)定情況一致，充分說(shuō)明利用高密度電阻率法探測(cè)含水構(gòu)造帶具有可行性。

3 含水構(gòu)造帶探測(cè)實(shí)例分析

3.1 探測(cè)數(shù)據(jù)處理與成果解譯原理

高密度電阻率法和瞬變電磁法探測(cè)數(shù)據(jù)均采用儀器自帶的軟件按照流程進(jìn)行處理反演。其中，高密度電阻率法采用驕佳軟件，處理流程為導(dǎo)入數(shù)據(jù)→交互式手工及自動(dòng)剔除數(shù)據(jù)壞點(diǎn)→濾波→地形改正→反演成圖；瞬變電磁法采用自帶的TEM 數(shù)據(jù)處理工作站，處理流程為導(dǎo)入數(shù)據(jù)→剪切未衰減前測(cè)道→自動(dòng)濾波→輸入關(guān)斷時(shí)間→畸道消除、過(guò)度過(guò)程消除→測(cè)點(diǎn)圓滑、測(cè)道圓滑→輸入發(fā)射電流、接收線圈匝數(shù)及面積、發(fā)射線框匝數(shù)及面積、延時(shí)等探測(cè)參數(shù)→反演成圖。對(duì)于成圖數(shù)據(jù)的成果解譯，則依據(jù)研究區(qū)的地球物理特征開(kāi)展。

齊大山鐵礦南幫主要巖性有綠泥石英片巖、綠泥滑石片巖、絹云母石英片巖、含鐵石英巖及千枚巖夾薄層含鐵石英巖層等。從電阻率差異性方面分析，片巖和千枚巖的電阻率變化與含水率的關(guān)系較大，含水率小的條件下一般是高電阻率，含鐵石英巖具有硅質(zhì)條帶，而條帶一般與礦體走向一致，因此，垂直于礦體走向的含鐵石英巖也呈高電阻率。含水構(gòu)造帶一般呈現(xiàn)低電阻率，因此，含水構(gòu)造帶與片巖、千枚巖和含鐵石英巖具有明顯的電阻率差異性。

3.2 探測(cè)成果解譯

探測(cè)工作分別采用高密度電阻率法和瞬變電磁法在齊大山鐵礦采場(chǎng)南幫唯一的地表水水源（大青溝）邊緣進(jìn)行測(cè)線布置。其中，高密度電阻率測(cè)線兩條平行鋪設(shè)，均采用溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；并在大青溝南岸沿高密度電阻率測(cè)線鋪設(shè)瞬變電磁法測(cè)線一條，采用重疊回線裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。探測(cè)結(jié)果如圖7至圖9所示。

由高密度電阻率法G-1 線、G-2 線解譯成果圖（圖7 和圖8）可知，地下視電阻率層面大致可以分為3 層，第1 層為高阻淺地表覆蓋層，視電阻率為135～227 Ω·m；第2 層為低阻含水碎屑沉積巖層，視電阻率為28～71 Ω·m，推測(cè)為河流形成的沖洪積物堆積，疏松易含水；第3 層為基巖層，推測(cè)為探測(cè)區(qū)的老變質(zhì)巖層，為不透水層，視電阻率為80～146 Ω·m。圖中圈定的采空區(qū)異常位置為礦體所在位置，為富礦體，其兩側(cè)為構(gòu)造帶，發(fā)育蝕變巖層和片巖層，容易形成導(dǎo)水通道進(jìn)而與空區(qū)貫通。同時(shí)，從G-1線解譯成果圖（圖7）上可以看出，在水平方向40～64 m、埋深8～32 m范圍內(nèi)和水平方向72～90 m、埋深8～22 m范圍內(nèi)有兩處明顯低阻區(qū)域，視電阻率為1.92～8.12 Ω·m，可推測(cè)為含水構(gòu)造帶異常顯示。從G-2 線解譯成果圖（圖8）上可以看出，在水平方向40～66 m、埋深10～36 m 范圍內(nèi)和水平方向74～92 m、埋深8～22 m 范圍內(nèi)有兩處明顯低阻區(qū)域，視電阻率為5.71～16.37 Ω·m，可推測(cè)為含水構(gòu)造異常顯示。兩條近似平行的高密度電阻率測(cè)線解譯成果說(shuō)明區(qū)內(nèi)存在含水構(gòu)造帶，且切穿河流分布，形成了良好的供補(bǔ)給關(guān)系。

從含水構(gòu)造帶上方的瞬變電磁法S-1 線解譯成果圖（圖9）也可以看出，淺層1～10 m所顯示的低阻區(qū)域?yàn)樗沧冸姶欧ㄌ綔y(cè)盲區(qū)，根據(jù)高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果可知探測(cè)盲區(qū)主要為淺層地表覆蓋層，研究區(qū)內(nèi)含水碎屑沉積巖層厚度在66 m 左右，其下為基底的老變質(zhì)巖層，為不透水層。同時(shí)，根據(jù)圖9 分析可知，在水平方向26～43 m、埋深22～50 m范圍內(nèi)和水平方向65～80 m、埋深22～54 m 范圍內(nèi)處在兩處低阻區(qū)域，面積較大，且范圍明顯，可推測(cè)為含水構(gòu)造帶的地球物理異常顯示，可與高密度電阻率法的探測(cè)成果相互印證。

3.3 探測(cè)成果綜合分析與討論

基于對(duì)區(qū)內(nèi)含水構(gòu)造帶的地質(zhì)-地球物理特征的研究與認(rèn)識(shí)，綜合高密度電阻率法正演模擬成果和現(xiàn)場(chǎng)地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)解譯成果，可知在高密度電阻率法G-1 線解譯成果圖上顯示的兩處低阻區(qū)域與高密度電阻率法G-2 線解譯成果圖上所顯示的低阻區(qū)域范圍基本吻合，二者可以相互印證。同時(shí)，高密度電阻率法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)成果顯示的低阻異常均與含水構(gòu)造帶理論模型的正演模擬結(jié)果較為類似，也充分說(shuō)明在這兩處低阻范圍所圈定的異常區(qū)間為含水構(gòu)造帶存在的地球物理異常顯示，表明可以利用高密度電阻率法進(jìn)行隱伏含水構(gòu)造帶的準(zhǔn)確定位和精細(xì)探測(cè)。而在高密度電阻率法的成果基礎(chǔ)上，采用瞬變電磁法進(jìn)行二次探測(cè)，充分利用瞬變電磁法的低阻敏感特性，對(duì)含水構(gòu)造帶進(jìn)行驗(yàn)證，也顯示了類似的結(jié)果。最后，綜合高密度電阻率法和瞬變電磁法探測(cè)數(shù)據(jù)解譯成果，在瞬變電磁法解譯成果圖上顯示的低阻區(qū)域均在高密度電阻率法所圈定的低阻異常范圍內(nèi)，二者可以相互驗(yàn)證，進(jìn)一步說(shuō)明該兩處低阻異常為含水構(gòu)造帶存在的地球物理異常特征顯示。

綜上分析可知在探測(cè)區(qū)內(nèi)，綜合地球物理異常解譯成果圖上所顯示的兩處低阻區(qū)域?yàn)楹畼?gòu)造帶，河流與含水構(gòu)造帶形成了供補(bǔ)給關(guān)系，可以提供持續(xù)的水源滲漏補(bǔ)給，但與空區(qū)的關(guān)系目前來(lái)看聯(lián)系不大?；诖朔N認(rèn)識(shí)，礦山在后續(xù)生產(chǎn)工作中，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)含水構(gòu)造帶變化，防止生產(chǎn)擾動(dòng)導(dǎo)致含水構(gòu)造帶擴(kuò)大與采空區(qū)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，形成大流量補(bǔ)給，給深凹露天開(kāi)采造成水患災(zāi)害。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)高密度電阻率法含水構(gòu)造帶理論模型的正演模擬結(jié)果，可知在溫納裝置上，含水構(gòu)造帶顯示為低阻異常特征，高密度電阻率法可應(yīng)用于對(duì)含水構(gòu)造帶的探測(cè)。

（2）綜合分析高密度電阻率法、瞬變電磁法探測(cè)成果，并與含水構(gòu)造帶理論模型的正演模擬結(jié)果相結(jié)合，在探測(cè)范圍內(nèi)圈定出了兩處低阻異常區(qū)域，確定為含水構(gòu)造帶的地球物理異常特征顯示。

（3）含水構(gòu)造帶的探明表明高密度電阻率法和瞬變電磁法組合的地球物理探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱伏含水構(gòu)造帶的先導(dǎo)性探測(cè)，查明含水構(gòu)造帶的位置及其延伸方向，為礦山安全生產(chǎn)提前預(yù)警。