王建國，李 瑋，張世珍

(青海大學 地質工程系，西寧 810016)

在金屬礦山的開采過程中，斷裂構造是備受礦山工作者關注的地質單元，含水構造是誘發(fā)礦山突水、透水事故的重要的安全生產隱患之一。突水、透水事故具有突發(fā)性、復雜性和危害性等特點，所以，開展隱伏水體預測至關重要[1]。電阻率法是傳導類電法勘探最重要的方法之一，是根據巖礦導電性的差異，通過研究巖礦電阻率變化，對隱伏地質體進行探測的一種方法，具有成本低、效率高等優(yōu)點。電阻率對地質體內流體的存在和分布很敏感，地質體內部或者之間可能存在較多的開放的斷裂結構，充填于地質體孔隙內的流體可以引起電阻率變小，需要搞清楚斷裂面幾何形狀、大小、分布、相互連通等情況[2]。因此，科學預測地質體中可能分布的導水構造、含水破裂帶是研究的難點和熱點之一。本文以查藏錯銅鉛鋅礦床為例，正是基于巖礦電阻率特性這些原理和方法，對礦山隱伏富水斷層破碎帶進一步預測，該研究結論與認識能夠有效避免或減少礦山突水事故的發(fā)生。

1 研究背景

查藏錯銅鉛鋅礦床位于岡底斯成礦帶的中部北翼，隸屬于西藏申扎縣管轄，礦區(qū)主要出露的地層為林子宗群陸相火山碎屑巖和火山熔巖，是多階段火山熱液充填交代脈型礦床，該礦山斷裂發(fā)育，可能賦存多個含水地質單元，是礦山開采的不利因素，礦區(qū)交通位置如圖1所示。大多數情況下，巖體干燥度顯著影響著電阻率，干燥度高電阻率就高，含水巖體電阻率會隨含水量的增加而顯著下降。巖礦電阻率差異是電法勘探的依據，同時，電阻率法也是探測礦床富水斷裂帶等不良地質構造的最佳方法之一，根據電阻率理論和方法可以推斷礦床斷裂展布特征及水體賦存狀況。目前認為，通過測量巖礦含水率及電阻率，探討含水率對電阻率的影響及其分布特征，分析二者之間的擬合關系，構建電阻率空間分布規(guī)律模式，推斷礦山斷層或破碎帶的空間分布特征，可以獲取地質構造的富水變化信息，合理解釋巖礦電阻率對于指示地質體含水構造單元具有重要意義，能夠有效預防在這些含水威脅區(qū)域開挖隧道或采礦時突水安全事故的發(fā)生，減少人員傷亡和經濟損失。

圖1 礦區(qū)交通位置圖Fig.1 The traffic map of mining area

2 巖礦特征

巖礦樣品照片如圖2(a—f)所示，根據野外觀察及室內鏡下鑒定可知，石英多金屬硫化物階段巖礦礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦、藍銅礦；方解石多金屬硫化物階段主要可見黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦等。另外，野外可見方解石細脈穿插早期石英脈，由此可初步判斷方解石階段礦物形成稍晚于石英階段。

3 電阻率與含水率之間的關系

3.1 測試方法及分析結果

含有孔隙的巖礦電阻率ρ與其含水量和孔隙流體電阻率ρ水也有數學關系，見公式(1)。因此，巖礦中水分的含量與孔隙水電阻率兩個因素對電阻率影響較大，孔隙率可以使用AU-300R型巖礦孔隙率測量儀直接測定；電阻率使用RTS-8數字式四探針電阻率測試儀直接測定；對巖礦樣品含水率W測試應選取不少于50 g的樣品3個，自然含水狀態(tài)下其質量記為m1，105 °C～110 °C干燥24 h后取出在冷卻常溫下其質量記為m2，則含水率計算用公式(2)可求出，經加權平均得出，分析計算結果見表1。

(1)

式中：ρ為巖礦電阻率；ρ水為孔隙流體電阻率；ω為含水體積數(ω=1-V)。

(2)

式中：W為含水率；m1為烘干前樣品質量，g；m2為烘干后樣品質量，g。

圖2 巖礦樣品照片Fig.2 The photo of ore samples

表1 巖礦樣品測試分析結果Table 1 Results of test and analysis of rock and ore samples

3.2 孔隙率及含水率的分布特征

地下巖體裂隙的形成、發(fā)育、含水性及孔隙貫通是導致電阻率發(fā)生異常變化的主要原因之一[3]。含有孔隙流體的巖礦電阻率顯著地受到流體滲透率和孔隙度的影響[4]。部分黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦樣品的含水率與其電阻率是有關聯的，研究發(fā)現閃鋅礦含水率最小，電阻率大；方鉛礦含水率最大，黃銅礦、黃鐵礦次之，電阻率相對較小[5]。對于孔隙中仍有空隙的情形，巖礦電阻率、ω及ρ水之間的關系就復雜多了，總的規(guī)律是巖礦電阻率與ρ水是正相關的，與ω是負相關的。本文通過對巖礦孔隙率及含水率的測試分析發(fā)現(表1)，孔隙率介于0.87%～1.79%，含水率介于0.68%～1.36%。從圖3和圖4可以看出，在礦區(qū)內，孔隙率大的礦體部位，其含水率也相應增加，說明孔隙率與含水率具有正相關性，總體具有NW向和NNE向分布特點。

圖3 巖礦孔隙率等值線Fig.3 The contour map of porosity of rock and ore

圖4 巖礦含水率等值線Fig.4 The contour map of water content of rock and ore

3.3 電阻率變化規(guī)律

利用巖礦電阻率解析法，可以獲取地質體諸多電阻率數據及隨影響因素變化的電阻率圖像，在此基礎上，能夠深入理解和研究地質體斷裂帶分布特征，預測含水單元。從表1可知，巖礦樣品的電阻率介于0.49×10-2Ω·m～0.34×103Ω·m，圖5中黑色區(qū)域屬于低阻區(qū)，白色區(qū)域屬于過渡區(qū)，灰色區(qū)域屬于高阻區(qū)。從圖5中可以看出，礦區(qū)內電阻率分布與含水率具有較好的擬合度，說明礦區(qū)內電阻率總體具有NW向和NNE向分布特點。

圖5 礦區(qū)電阻率分布特征Fig.5 The distribution characteristics of resistivity in mining area

3.4 含水構造預測

結合圖3、圖4、圖5分析結果可以推斷，礦區(qū)內可能發(fā)育2～3條斷層或破碎帶，總體呈NW向、NNE向延伸，SW向、S向及E向延伸范圍不詳。根據巖礦孔隙率、含水率及電阻率空間分布規(guī)律，利用擬合軟件和參數計算，對礦區(qū)含水構造區(qū)域進行預測，預測結果如圖6所示。從圖6可以看出，礦區(qū)內可能有3處突水威脅區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，礦區(qū)東南部有電阻率異常區(qū)域，由于超出礦區(qū)范圍，本次暫不進行討論。綜上所述，建議礦山管理部門或現場施工人員挖掘巷道或采礦生產時，加強對該區(qū)域的探水和排水工作，嚴格遵守礦山邊探邊掘和邊采邊探防治水原則，增強安全和法律意識，以避免或減少礦山突水事故的發(fā)生。

圖6 礦區(qū)突水威脅區(qū)預測Fig.6 Prediction of water inrush threat area in mining area

4 討論

實際上，影響地質體電阻率的因素是很多的，如物質成分、結構構造、含水量、孔隙度大小及其連通性、其它膠結物、所處的環(huán)境溫度和壓力等[6]。巖礦成分、結構構造、孔隙度是其本身的屬性[7]。巖礦電阻率的變化主要和裂隙水導電通路有著直接的關系[2]。含有孔隙流體的巖礦電阻率顯著地受到流體滲透率和孔隙度的影響[4]。本文以查藏錯銅鉛鋅礦床為例，基于巖礦電阻率特性，對礦山隱伏富水斷層破碎帶進行預測，是探索性的研究工作，初步認為巖礦中水分的含量與孔隙水電阻率兩個因素對電阻率影響較大，通過測量巖礦電阻率值變化而獲得地質構造的富水變化信息，能夠有效地預防或減少在這些地帶開挖隧道或采礦時突水安全事故的發(fā)生。

5 結論

1)通過對巖礦孔隙率及含水率的測試分析發(fā)現，孔隙率介于0.87%～1.79%，含水率介于0.68%～1.36%，巖礦樣品的電阻率介于0.49×10-2～0.34×103Ω·m。研究認為，孔隙率大的部位，其含水率也相應增加，說明孔隙率與含水率具有正相關性，電阻率分布與含水率具有較好的擬合關系，電阻率總體具有NW向和NNE向分布特點。

2)推斷礦區(qū)內可能發(fā)育2～3條斷層或破碎帶，總體呈NW向、NNE向延伸，SW向、S向及E向構造范圍不詳，并預測礦區(qū)內可能有3處突水威脅區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。

綜上所述，建議礦山管理部門或現場施工人員挖掘巷道或采礦時，加強對突水威脅區(qū)域的防治水工作，嚴格遵守礦山邊探邊掘和邊采邊探原則，增強礦山安全和法律意識。