一种判断低密度直立矿体深部延伸的坑道重力方法

1.本发明涉及一种判断低密度直立板状矿体深部延伸的坑道重力方法，属于矿产资源勘查领域。


背景技术：

2.在矿床勘探过程中，当通过坑探工程发现矿体时，人们通常十分关心发现的矿体向深部延伸有多少。要知道矿体深部延伸情况，最直接方法是向深部施工坑道或钻孔工程控制矿体。但是，在设计深部探矿坑道或钻孔之前，要对矿体的深部延伸情况进行预判。因此在设计之前，一般要开展地球物理勘查。地球物理方法有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探、地热勘探等，一般情况下，地震勘探、放射性勘探、地热勘探往往对金属矿勘探效果不佳，磁法勘探、电法勘探因受坑道电磁干扰也难以发挥作用，而坑道重力测量不受电磁干扰，只要矿体与围岩有密度明显差异，则会取得良好的找矿效果。如何判断矿体的深部延伸，是找矿勘探的难题。国内外在坑道重力的研究报道较少。2014年，韩润生、李文尧等申请了一种坑道重力全空间域定位探测低密度隐伏矿体的方法和一种坑道重力全空间域定位探测低密度隐伏矿体的方法的发明，其原理是应用坑道重力测量，根据重力异常及x、y、z三个方向的梯度异常四个参数来进行隐伏矿体定位探测，主要是解决高密度或者低密度直立长方体金属矿体位于探测坑道所在的方位问题。但是，专利中对矿体的定位探测要用到四个参数，由于坑道空间太小，加上三方向梯度值小，一般情况下，难以获得准确和高精度的三方向梯度值，且也不能判断矿体的深部延伸；本研究发明了只用坑道重力异常单一参数判断低密度直立矿体深部延伸的方法。


技术实现要素：

3.本发明提供一种判断低密度直立矿体深部延伸的坑道重力方法，首先在野外进行坑道重力观测及其观测数据的各项改正，求得布格重力异常；其次，通过布格重力异常的场分离，获得剩余重力异常；根据坑道剩余重力异常对称性判断矿体是否为直立板状矿体，再依据坑道剩余重力异常的正负性判断低密度直立矿体的深部延伸特征。
4.本发明方法的具体操作步骤如下：
5.(1)采集测区的各种岩石、矿石，确定岩石和矿石类型；测定测区岩石和矿石的密度，分别统计岩石和矿石的平均密度，当矿石平均密度低于围岩密度时，则具备应用该方法的物性前提；
6.(2)通过坑道重力观测，获得坑道重力观测数据；
7.a、采用常规方法进行测点定位，测点间距为10
‑
30m，用皮尺或经纬度仪确定测点的点位坐标，并把点号标记在坑道壁上；
8.b、重力基点选择：选择于坑道口附近，并标明为重力基点；
9.c、采用常规方法进行坑道重力异常观测
10.重力异常观测：测点布置于坑道中心线部位，即x轴上，点距10
‑
30m；记录各点重力
数据；
11.本发明中假设矿体为剩余密度σ均匀的长方体，矿体的半长度为a，半宽度为b，半高度为c，矿体的长、宽、高在空间直角坐标系中分别平行于x轴、y轴及z轴，矿体的中心点坐标为ξ
i
、η
j
、ζ
k
，见图1；
12.根据牛顿的万有引力定律，对于地质体为剩余密度σ均匀的长方体有重力异常公式：
[0013][0014]
其中：g是万有引力常数，(x，y，z)为观测点坐标；
[0015]
矿体中心点到测点距离
[0016]
公式(1)经积分后可以转化为：
[0017][0018]
即:
[0019]
其中：观测点坐标为(0，0，0)；
[0020]
ξ
i
＝ξ0+(
‑
1)
i
a
‑
x(i＝1，2)
[0021]
η
j
＝η0+(
‑
1)
j
b
‑
x(j＝1，2)；
[0022]
ζ
k
＝ζ0+(
‑
1)
k
c
‑
x(k＝1，2)；
[0023]
(3)采用常规方法对坑道重力观测数据进行改正，数据改正包括固体潮改正、温度改正、倾斜改正、零点漂移改正、地形改正、布格改正、纬度改正、采空区改正、回填区改正，获得坑道布格重力异常；例如参照201410398391.7“一种坑道重力全空间域定位探测高密度隐伏矿体的方法”中的方法；
[0024]
(4)对坑道布格重力异常进行区域重力异常与剩余重力异常的分离，以测点位置距离为横坐标，剩余重力异常为纵坐标，绘制剩余重力异常图，然后根据剩余重力异常图的对称性判断低密度矿体是否为直立矿体；
[0025]
当剩余重力异常为对称的正异常、对称的负异常或无异常时，则判断低密度矿体为直立矿体；
[0026]
(5)直立矿体根据剩余重力异常的正、负性定性判断低密度直立矿体的深部延伸情况，并计算低密度直立矿体的延伸长度和矿石储量；
[0027]
根据上述公式(1)
‑
(3)的定性分析或计算结果可得到低密度直立矿体断面重力异常(δg＝vz)断面模型图，见图2；
[0028]
当观测坑道位于矿体的中上部时，剩余重力异常δg为对称的负异常；
[0029]
当观测坑道位于矿体的中部平面时，剩余重力异常δg为零异常；
[0030]
当观测坑道位于矿体的中下部时，剩余重力异常δg为对称的正异常。
[0031]
当观测坑道的剩余重力异常为对称的负异常时，矿体向深部延伸较大，即坑道之下未知矿体向深部延伸深度大于坑道之上控制的矿体；
[0032]
当观测坑道的剩余重力异常无异常时，坑道之下的未知矿体与坑道之上的矿体垂向延伸深度相等；
[0033]
当观测坑道的剩余重力异常为对称的正异常时，矿体向深部延伸较小，即坑道之下未知矿体向深部延伸深度小于坑道之上控制的矿体；
[0034]
步骤(5)中通过公式(3)计算低密度矿体的延伸长度和矿石储量，即给c定一个预估范围，先用上述公式计算出给定范围[c1，c2，...c
n
]内的多个预估c的重力异常值，并标记为v
′
z，m
(m∈[1，n])，找出实测重力异常值v
z
与v
′
z，m
残差平方和满足下式的c，其中残差平方和最小值对应的c
m
就是矿体在z方向上的半延伸长度；再通过矿体长度、宽度、高度、密度计算出矿石量，矿石量乘以矿石平均品位即得矿石储量；
[0035]
min(∑(v
z
‑
v
′
z，m
)2)≤z，z为阈值，z取值小于等于5m。
[0036]
步骤(5)中还可以通过公式(2)，计算低密度矿体的延伸长度和矿石储量，即将已知的低密度直立矿体的半长度a、半宽度b代入公式(2)中，计算剩余重力异常并绘制剩余重力异常图，在这个过程中不断调整半高度c的值，观测计算后获得的剩余重力异常曲线与实测的剩余重力异常曲线的形态和强度，当两条曲线基本重叠时，则这个状态下的c值即为矿体深部半延伸长度，再通过矿体长度、宽度、高度、密度计算出矿石量，矿石量乘以矿石平均品位即得矿石储量；
[0037]
|v
z
‑
v
′
z，m
|
max
≤z，z取值小于等于5m。
[0038]
本发明方法的优点和技术效果：
[0039]
(1)使用参数少，仅使用坑道的剩余重力异常1个参数；(2)对于矿石与围岩密度差
大的矿体探测效果好，既适用于板状或脉状低密度矿体，也适用于柱状低密度矿体；(3)可快速判断低密度直立矿体的深部延伸及其找矿前景，可明显缩短勘矿周期，降低找矿成本；(4)不受电磁干扰的影响；(5)受地表地形影响小；(6)观测坑道基本是平直的，异常不用进行曲化平；(7)重力异常简单，且方法简便，易掌握、易应用。
附图说明
[0040]
图1为直立长方体正演模型；
[0041]
图2为直立的低密度体的重力异常断面模型图；
[0042]
图3为低密度体的布格重力异常图；
[0043]
图4为直立的低密度体的剩余重力异常图；
[0044]
图5为实测与计算的剩余重力异常图；
[0045]
图6为实施例2低密度体的布格重力异常图；
[0046]
图7为实施例2直立的低密度体的剩余重力异常图；
[0047]
图8为实测与计算的剩余重力异常图。
具体实施方式
[0048]
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容，实例中方法如无特殊说明均为常规方法。
[0049]
实施例1：本方法在云南东部某煤矿矿区深部开展坑道重力探测，取得了良好的找矿效果，具体如下：
[0050]
(1)系统采集、测定、统计测区内岩石和矿石的平均密度
[0051]
采集测区岩石、矿石样品共55件，其中岩石20件(细砂岩5件、粉砂岩5件、页岩5件、泥质灰岩5件)，煤矿35件。岩石、矿石标本密度测量结果见表1；测区煤矿石平均密度为1.67g/cm3，岩石平均密度为2.60g/cm3，岩石比矿石平均密度高0.93g/cm3，即测区矿石为低密度脉状矿体，具备本方法应用的密度差异前提；
[0052]
表1云南某煤矿区岩石、矿石密度测量结果表
[0053]
岩石、矿石名称件数平均值(g/cm3)细砂岩52.58粉砂岩52.62泥岩、页岩52.55泥质灰岩52.66岩石平均密度202.60煤的平均密度351.67
[0054]
(2)进行坑道重力观测，获得坑道重力观测数据
[0055]
重力测量坑道为坑道中段3号线，测区只布设1个总基点，设置在地表巷道入口处，使用高精度gps对基点坐标进行定位，测点坐标用经纬仪进行测量，测点的点距25米，所有测点用记号笔在坑道壁上标明点号，编号：301～317，共计17个测点；
[0056]
重力观测采用cg
‑
5型重力仪，仪器读数分辨率为0.01g.u.，标准误差小于0.05g.u.。测点观测起于总基点终于总基点，为减少坑道的影响，重力仪用脚架置于坑道中
心轴线位置进行观测，每个测点观测3次，并记录3次观测结果，3次读数求其平均值即为观测值，测点坐标见表2；
[0057]
表2测点坐标表
[0058][0059][0060]
(3)观测数据的各项改正
[0061]
采用cg
‑
5重力仪完成，对观测数据进行固体潮改正、温度改正、倾斜改正、基点改正、零点飘移改正、地形改正、布格改正、纬度改正、采空区改正、回填区改正；其中固体潮改正、温度改正、倾斜改正可由仪器自行完成，其余改正结果见表3；
[0062]
表3各项改正表
[0063][0064]
(4)对坑道的布格重力异常进行区域重力异常与剩余重力异常的分离
[0065]
采用趋势分析法将坑道布格重力异常分离成区域重力异常与剩余重力异常，并以测点距离为横坐标，剩余重力异常为纵坐标，绘制剩余重力异常图，见图3、4；从图中可以看出剩余重力异常是对称的，因此判断该低密度矿体为直立矿体；
[0066]
(5)直立矿体根据剩余重力异常的正、负性定性判断低密度直立矿体的深部延伸情况；
[0067]
从图4中可以看出本实施例剩余重力异常为对称的负异常，结合图2，则观测坑道位于矿体的中上部；矿体向深部延伸较大，即坑道之下未知矿体向深部延伸深度大于坑道之上控制的矿体，可判定坑道之下的找矿前景大于坑道之上控制的资源量；
[0068]
(6)低密度直立矿体的延伸长度和矿石储量
[0069]
根据已知矿体的位置、坑道控制情况建立xyz坐标系，坑道控制的矿体走向延伸长度2a＝400m，厚(宽)度2b＝20m，σ＝
‑
0.93g/cm3，矿体为矿体直立，矿体中心位置为(0，0，0)，将已知数据代入公式(3)，z阈值为5米，此时算出的理论值与表3实测值的残差平方和如表4所示；
[0070]
表4理论值与表3实测值的残差平方和
[0071]
c值116011651170117511801185残差平方和0.0380.0350.0320.0310.0300.031c值119011951200120512101215残差平方和0.0320.0340.0370.0410.0450.051
[0072]
从表4可以看出，当半高度c取值1180m时，残差满足阈值要求且最小(0.030)，矿体深部的总高度为2360m，矿体深部延伸长度为：2360m
‑
600m(可控矿体高度)＝1760m。
[0073]
根据已知煤矿层的长度、宽度和高度计算出体积，再乘以煤的平均密度，可得出煤的资源量：400m
×
20m
×
2360m
×
1.67t/m3＝31529600t。
[0074]
方法2预测：坑道控制已知矿体走向延伸长度a＝200m，厚(宽)度b＝10m，其产状直
立，将已知的数据代入公式(2)，通过不断的调整半高度c值，观测理论计算出的重力异常曲线与实测的重力异常曲线形态和强度，当两曲线基本一致时，见图5，此时矿体的高度2400m，即为预测值，由此表明预测矿体的向深部延伸约为2400m
‑
600m＝1800m。于是可通过已知的长度宽度和求出的高度计算出体积，乘以密度得出资源量：400m
×
20m
×
2400m
×
1.67t/m3＝32064000t；
[0075]
上述2种计算方法结果与钻探工程验证结果总体一致，因此表明该方法是确实可行的。
[0076]
实施例2：本方法在云南中部某石盐矿区深部开展坑道重力探测，取得了良好的找矿效果，具体如下：
[0077]
(1)系统采集、测定、统计测区内岩石和矿石的平均密度
[0078]
共采集测区岩石、矿石样品共55件，其中石盐矿石15件，岩石(围岩)30件(泥岩10件、泥质粉砂岩10件、石英砂岩10件)。矿石标本密度测量结果见表5；测区石盐矿石平均密度为2.28g/cm3，围岩平均密度为2.78g/cm3，矿石比围岩平均密度低0.5g/cm3，即测区石盐矿石为低密度脉状矿体，具备本方法应用的密度差异前提；
[0079]
表5湖南某多金属矿区矿石密度测量结果表
[0080][0081][0082]
(2)进行坑道重力观测，获得坑道重力观测数据
[0083]
重力测量坑道为坑道中段19号线，测区只布设1个总基点，设置在地表巷道入口处，使用高精度gps对基点坐标进行定位，测点坐标用经纬仪进行测量，测点的点距30米，所有测点用记号笔在坑道壁上标明点号，编号：1901～1907，共计7个测点；
[0084]
重力观测采用cg
‑
5型重力仪，仪器读数分辨率为0.01g.u.，标准误差小于0.05g.u.。测点观测起于总基点终于总基点，为减少坑道的影响，重力仪用脚架置于坑道中心轴线位置进行观测，每个测点观测3次，并记录3次观测结果，3次读数求其平均值即为观测值，测点坐标见表6；
[0085]
表6测点坐标表
[0086]
点号x/my/mz坐标平均读数值/10g.u.基点00341.4924034.447100
‑
254.6004078.2332300
‑
254.6274078.1703600
‑
254.4994078.0544900
‑
254.3714077.904
51200
‑
254.5804078.21661500
‑
254.8044078.49571800
‑
254.7504078.418
[0087]
(3)观测数据的各项改正
[0088]
对观测数据进行固体潮改正、温度改正、倾斜改正、基点改正、零点飘移改正、地形改正、布格改正、纬度改正、采空区改正、回填区改正；其中固体潮改正、温度改正、倾斜改正可由仪器自行完成，其余改正结果见表7；
[0089]
表7各项改正表
[0090][0091]
(4)对坑道的布格重力异常进行区域重力异常与剩余重力异常的分离
[0092]
采用趋势分析法将坑道布格重力异常分离成区域重力异常与剩余重力异常，并以测点距离为横坐标，剩余重力异常为纵坐标，绘制剩余重力异常图，见图6、7；从图中可以看出剩余重力异常是对称的，因此判断该低密度矿体为直立矿体；
[0093]
(5)直立矿体根据剩余重力异常的正、负性定性判断低密度直立矿体的深部延伸情况；从图7中可以看出本实施例剩余重力异常为对称的负异常，结合图2，则观测坑道位于矿体的中上部；矿体向深部延伸较大，即坑道之下未知矿体向深部延伸深度大于坑道之上控制的矿体，可判定坑道之下的找矿前景大于坑道之上控制的资源量；
[0094]
(6)低密度直立矿体的延伸长度和矿石储量
[0095]
根据已知矿体的位置、坑道控制情况建立xyz坐标系，坑道控制的矿体走向延伸长度2a＝200m，厚(宽)度2b＝50m，σ＝
‑
0.6g/cm3，矿体为矿体直立，矿体中心位置为(0，0，0)，将已知数据代入公式(3)，z阈值为5米，此时算出的理论值与表3实测值的残差平方和如表7所示；
[0096]
表8理论值与表3实测值的残差平方和
[0097]
c值116011651170117511801185残差平方和0.009950.007450.005370.003700.002410.00149c值119011951200120512101215残差平方和0.000920.000670.000740.001100.001750.00267
[0098]
从表8可以看出，当半高度c取值1195m时，残差满足阈值要求且最小(0.00067)，矿体深部的总高度为2390m，矿体深部延伸长度为：2390m
‑
600m(可控矿体高度)＝1790m。
[0099]
根据已知石盐矿矿层的长度、宽度和高度计算出体积，再乘以钨矿的密度2.28g/cm3和品位约70％，可得出钨的资源量：200m
×
50m
×
2390m
×
2.28t/m3×
70％＝38144400t。
[0100]
方法2预测：坑道控制已知矿体走向延伸长度a＝100m，厚(宽)度b＝25m，其产状直
立，将已知的数据代入公式(2)，通过不断的调整半高度c值，观测理论计算出的重力异常曲线与实测的重力异常曲线形态和强度，当两曲线基本一致时，见图8，此时矿体的高度2400m，即为预测值，由此表明预测矿体的向深部延伸约为2400m
‑
600m＝1800m；于是可通过已知的长度宽度和求出的高度计算出体积，乘以密度得出资源量：200m
×
50m
×
2400m
×
2.28t/m3×
70％＝38304000t；
[0101]
上述2种计算方法结果与钻探工程验证结果总体一致，因此表明该方法是可行的。