王玉,李肖,唐德龍,黃建強,宋林君,尹劍飛

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊,山東 招遠 265400;2.山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司,山東 萊州 261400;3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊,山東 臨沂 276000)

0 引言

西嶺金礦床位于三山島金礦床深部,是目前我國勘查深度最大的礦床[1]。山東黃金集團在前期做過大量的基礎(chǔ)地質(zhì)勘查與科研工作。目前,西嶺金礦床已進入深部勘探階段[2]。在前期地質(zhì)勘查過程中,礦床成礦機理及礦床開采技術(shù)條件的研究多位于礦床淺部。鑒于該礦區(qū)礦體埋藏深度較大,隨著礦體開采深度的增加,對深部礦體地溫、地壓產(chǎn)生的熱害、巖爆等研究不足,已無法滿足深部勘探開發(fā)要求,有必要開展礦體深部開采條件研究。

自2011年實施找礦突破戰(zhàn)略行動以來,膠東金礦深部找礦取得了重大成績,深部找礦的重大成果得益于找礦技術(shù)方法的不斷進步。地球物理測井作為地質(zhì)家的眼睛,在油氣勘探領(lǐng)域應(yīng)用非常普遍,然而在礦體深部開采技術(shù)條件研究中應(yīng)用的很少。

本文通過地球物理綜合測井技術(shù)、鉆孔工程與水文地質(zhì)編錄、巖石物理力學(xué)性質(zhì)樣品測試,結(jié)合深井實驗室資料,從礦床深部的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)方面研究礦床深部開采技術(shù)條件[3]。

1 測井實施情況

礦區(qū)主要為第四系沙土覆蓋,西部出露太古宙膠東群變質(zhì)巖。礦區(qū)內(nèi)侵入巖為中生代花崗巖:晚侏羅世玲瓏花崗巖,以巖基的形式發(fā)育;早白堊世郭家?guī)X花崗巖,以巖株的形式發(fā)育,分布于三山島斷裂帶的下盤[4]。礦區(qū)內(nèi)主斷裂總體呈舒緩波狀。走向34°左右,傾向SE。斷裂主要沿玲瓏花崗巖與郭家?guī)X花崗巖接觸帶分布(圖1)。

1—第四系;2—牟平-即墨構(gòu)造混雜帶;3—膠東侵入巖變質(zhì)巖區(qū);4—膠北隆起區(qū);5—膠萊坳陷區(qū);6—膠南隆起區(qū)

研究區(qū)地處渤海海灣,位于三山島西北部,近岸及海底地形低平,豎井位置見圖1。本次地球物理測井測試了2個鉆孔,測井現(xiàn)場地形平坦,交通方便。ZK72-13鉆孔結(jié)構(gòu):0～60m,Φ150mm;60～545.25m,Φ122mm;545.25～2607.87m,Φ98mm。ZK90-9鉆孔結(jié)構(gòu):0～29.64m,Φ170mm;29.64～74.4m,Φ150mm;74.4～389.3m,Φ122mm;389.3～1863.85m,Φ98mm。測井工作使用儀器為JGS-1B綜合數(shù)字測井系統(tǒng)(表1)[5]。

表1 測井工作參數(shù)

2 主要測井內(nèi)容及作用

為評價西嶺金礦區(qū)深部開采技術(shù)條件,本文利用綜合測井方法,從水位、地溫、裂隙發(fā)育、巖層位置等信息進行探測。主要采用地球物理測井方法,包括井溫測井、自然伽馬測井、三側(cè)向電阻率測井、自然電位測井、井徑測井、密度測井和聲波測井[6]。

通過三側(cè)向電阻率、密度和聲波測井成果,結(jié)合鉆孔工程地質(zhì)編錄、巖石物理力學(xué)性質(zhì)樣品測試,研究礦床深部工程地質(zhì)條件。通過自然電位、三側(cè)向電阻率和井徑測井成果,結(jié)合鉆孔水文地質(zhì)工程地質(zhì)編錄,研究礦床水文地質(zhì)條件。應(yīng)用井溫、自然伽馬測井技術(shù),結(jié)合深井實驗室資料,研究礦床開采可能引起的熱害、放射性傷害及沖擊地壓與巖爆等井下災(zāi)害等環(huán)境地質(zhì)條件。

3 地球物理測井結(jié)果

在礦床西北部和東南部分別選取鉆孔ZK90-9和ZK72-13開展地球物理測井,根據(jù)測井結(jié)果分析礦床工程地質(zhì)條件、礦床水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件,總結(jié)了礦床深部的開采技術(shù)條件變化規(guī)律[7]。

3.1 水位的確定

(1)ZK72-13水位的確定比較容易,多個參數(shù)在孔深4.5m處對水位有異常顯示(圖2)。主要有井溫、自然電位、三側(cè)向電阻率、聲波速度[8]。

圖2 ZK72-13水位確定示意圖

(2)由于聲波速度這個參數(shù)是在探管進入水面以下之后開始測量的,所以在探管入水之前與入水之后會有明顯的變化,據(jù)此可確定水位深度(圖3),ZK90-9近接收、遠接收、聲波時差3個參數(shù)在入水之前數(shù)值都是0,在探管下到5m附近3個參數(shù)開始測量,據(jù)此可大致確定水位線在5m附近。

圖3 ZK90-9水位確定示意圖

3.2 地溫變化規(guī)律

ZK72-13孔井溫測試結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)地溫隨深度增加呈線性遞增,淺部地表以下100m的溫度13.48℃,深部2500m的溫度69.04℃,每百米自然增溫2.32℃。綜合鉆孔地溫梯度變化規(guī)律可知,該區(qū)域平均地溫梯度為每百米自然增溫2.12℃。該地區(qū)溫度變化屬于正常范圍(圖4、圖5)。

圖4 ZK72-13井溫曲線

圖5 ZK72-13溫度梯度曲線

在以巖漿巖為主的地區(qū),富水性較好的巖層,存在裂隙發(fā)育、巖石破碎或巖層孔隙度較大的現(xiàn)象,體現(xiàn)在地球物理特征上為對應(yīng)的井徑變大,巖層的導(dǎo)電能力增強,電阻率變小。三側(cè)向電阻率參數(shù)與巖石導(dǎo)電性和孔隙度密切相關(guān),井徑、聲波速度與巖層破碎程度相關(guān),因此可用這些參數(shù)輔助裂隙發(fā)育推斷及確定巖層出水位置。

3.3 裂隙發(fā)育推斷及出水位置的確定

本次測井工作在ZK72-13孔發(fā)現(xiàn)7處出水部位(圖6)。將鉆孔的地質(zhì)編錄資料與本次測井結(jié)果結(jié)合可知,存在導(dǎo)水裂隙發(fā)育的井段井壁掉塊,井徑變大;對應(yīng)聲波參數(shù)較雜亂,聲波速度降低,波速基線不明顯,反映出這幾處存在巖石破碎情況,且破碎較嚴重;巖石三側(cè)向電阻率參數(shù)降低,推測此處為出水部位,使得該段巖層較上下兩側(cè)導(dǎo)電性增強。

圖6 ZK72-13出水位置示意圖

本次測井工作在ZK90-9孔發(fā)現(xiàn)2處出水部位(圖7)。將鉆孔的地質(zhì)編錄資料與本次測井結(jié)果結(jié)合可知,1293.2～1344.9m、1430.6～1448.7m段井壁掉塊,井徑變大,反映出該處存在巖石破碎情況;對應(yīng)自然電位升高,綜合判斷該處為出水部位,推斷存在導(dǎo)水裂隙發(fā)育。

圖7 ZK90-9出水位置示意圖

3.4 巖層位置的確定及放射性評價

由于不同巖性地層具有不同的密度,因此可以用密度參數(shù)劃分地層[9]。根據(jù)2個鉆孔的地質(zhì)編錄資料可知,鉆孔巖性由淺至深大體可分為第四系、變輝長巖、二長花崗巖、絹英巖化花崗巖和似斑狀黑云花崗閃長巖。通過自然伽馬和密度曲線分析不同巖性的不同測井參數(shù)特征,對鉆孔巖性進行劃分(圖8、圖9)。

圖8 ZK72-13巖層劃分示意圖

圖9 ZK90-9巖層劃分示意圖

巖石分界異常特征明顯。變輝長巖與二長花崗巖前者自然伽馬低于后者,在密度參數(shù)上前者高于后者,兩者交界處形成一個臺階[10]。片麻巖在密度參數(shù)上特征顯示鮮明,相對于變輝長巖呈明顯的低值異常反映,接觸界線清楚;絹英巖化花崗巖其原巖為二長花崗巖,在各項地球物理參數(shù)中,大多與二長花崗巖接近,無明顯區(qū)分。似斑狀黑云花崗閃長巖一般在于孔底,因鉆孔巖屑沉積,測量探管一般未達到其對應(yīng)深度便遇阻,數(shù)據(jù)量有限,僅憑現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析其與上部巖層無明顯物探測井界限。

依據(jù)《電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)(GB18871—2002)》,通過本次地球物理測井對ZK72-13、ZK90-9兩個鉆孔進行巖層天然放射性檢測,自然伽馬曲線放射性總體處于較低水平,曲線相對穩(wěn)定,評價總體不超標(biāo)(圖8、圖9)。

3.5 巖石物理力學(xué)性質(zhì)方面

巖石物理力學(xué)試驗研究以室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)測定為主。分別采用巖石天然密度試驗、巖石顆粒密度及孔隙率測試、抗拉試驗、單軸抗壓及彈性模量試驗和直剪試驗,嚴格按照《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)的標(biāo)準(zhǔn)對巖石密度、顆粒密度、孔隙率、單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角進行測定[11-12],得到8個鉆孔不同深度范圍內(nèi)巖芯的實際巖石物理力學(xué)參數(shù),通過對各個力學(xué)參數(shù)進一步計算統(tǒng)計,得到各類巖石各種力學(xué)參數(shù)的平均值(表2)。

表2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果平均值統(tǒng)計表

為對巖爆傾向性作出正確的評判,首先要理解控制巖爆的各種因素,其中包括圍巖巖性的內(nèi)部因素和圍巖環(huán)境的外部因素[13],并根據(jù)研究對象的實際,選取較為重要的控制性因素,建立相應(yīng)的評判因素集[14]。為此,綜合西嶺村礦區(qū)地質(zhì)狀況,選取上述巖體強度脆性系數(shù)B、變形脆性系數(shù)Ku、動態(tài)破壞時間Dt、巖爆傾向性指數(shù)Wet[15]、沖擊能量指數(shù)Wcf與陶振宇判據(jù)α6個評定指標(biāo)作為巖爆傾向性評價體系的評判因素集,即:

U={B,Ku,DT,Wet,Wcf,α}={u1,u2,u3,u4,u5,u6}

根據(jù)送檢鉆孔絹英巖化花崗巖和黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖測定的數(shù)據(jù)(表3)[16],依據(jù)強度脆性系數(shù)B、變形脆性系數(shù)Ku、動態(tài)破壞時間Dt、巖爆傾向性指數(shù)Wet、沖擊能量指數(shù)Wcf與陶振宇判據(jù)α,判定絹英巖化花崗巖分別具有中等巖爆傾向、弱巖爆傾向性、弱巖爆傾向性、中等巖爆傾向、弱巖爆傾向性、強烈?guī)r爆傾向[17-21]。

表3 送檢鉆孔測定數(shù)據(jù)因素集U取值表

4 結(jié)論

鑒于三山島西嶺金礦區(qū)礦體埋藏深度較大,已有研究程度已無法滿足深部勘探開采要求,為此,本文通過地球物理綜合測井技術(shù)、鉆孔工程與水文地質(zhì)編錄、巖石物理力學(xué)性質(zhì)樣品測試,結(jié)合深井實驗室資料,對礦床深部的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)進行了研究。研究結(jié)果顯示,整個井段未發(fā)現(xiàn)咸水層,區(qū)內(nèi)地溫變化在正常范圍內(nèi),巖層放射性水平總體處于低水平,評價總體不超標(biāo),巖石分界異常特征明顯,開采技術(shù)條件良好。評價結(jié)果為礦床深井開采和熱防護工程提供可靠的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指導(dǎo)。研究結(jié)果表明,地球物理綜合測井在膠西北金礦床深部開采技術(shù)條件研究中取得較好效果,可以作為深部開采開發(fā)設(shè)計的依據(jù)。