高密度電法在勘探基巖裸露礦山的不良地質(zhì)體中的改良與研究

汪楷洋,庹先國(guó),張 賡,李 彬,劉明哲

(1.成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010)

對(duì)于我國(guó)許多露天開(kāi)采的老礦山來(lái)說(shuō)，礦山邊坡的穩(wěn)定性對(duì)于后期礦山的施工安全有著至關(guān)重要的影響，而對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估，首先應(yīng)該從地質(zhì)上來(lái)認(rèn)識(shí)邊坡，傳統(tǒng)勘探方法(鉆探、槽探等)以點(diǎn)帶面，常帶來(lái)漏判、劃分不準(zhǔn)確、工期周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[1-2]。隨著地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展 ，近幾年來(lái)高密度電阻率法在對(duì)滑坡、隱伏斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象的勘察中已取得了良好的效果[3-7]，且相對(duì)于傳統(tǒng)物探方法而言，高密度電法具有效率高、成本低、分辨率高等特點(diǎn)[8]。

本次勘探的礦山為攀枝花釩鈦磁鐵礦山，已經(jīng)過(guò)近四十年的生產(chǎn)，進(jìn)入深凹露天開(kāi)采階段，將來(lái)最終工程邊坡高達(dá)555m，服務(wù)年限還有十五年多，為攀鋼礦業(yè)集團(tuán)鐵礦主要來(lái)源之一，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但近幾年礦山邊坡不穩(wěn)定的現(xiàn)象及出現(xiàn)的病害給生產(chǎn)構(gòu)成的威脅日趨嚴(yán)重，邊坡整體的穩(wěn)定性將直接影響后期施工的安全。而在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的過(guò)程中，詳細(xì)準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料起著至關(guān)重要的作用。故現(xiàn)在對(duì)邊坡進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)勘查，從而對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性做出分析評(píng)價(jià)，并及時(shí)跟進(jìn)某些處治措施是十分必要的。但由于長(zhǎng)年的開(kāi)挖與爆破，工區(qū)地表為裸露基巖或碎石堆，這一特征會(huì)使本次勘察有別于傳統(tǒng)的高密度電法勘探。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

工區(qū)位于四川省攀枝花市東區(qū)蘭尖鐵礦露天采場(chǎng)內(nèi)，在構(gòu)造上處于康藏高原東緣，康滇地軸中段西側(cè)邊緣。礦區(qū)采用臺(tái)段式開(kāi)采，到現(xiàn)在已經(jīng)行成了高約420m臺(tái)階狀的高陡邊坡。從已取得的地質(zhì)資料來(lái)看，工區(qū)內(nèi)地形受巖性及構(gòu)造控制，為構(gòu)造剝蝕地形，區(qū)域內(nèi)主要組成巖體為大理巖、角閃片巖、細(xì)粒及細(xì)粒流層狀輝長(zhǎng)巖、粗粒輝長(zhǎng)巖、鐵礦體等5個(gè)巖組。邊坡下盤巖體內(nèi)主要發(fā)育有兩類結(jié)構(gòu)面，即原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。原生結(jié)構(gòu)面是指軟弱夾層及泥化夾層等，主要存在于輝長(zhǎng)巖與大理巖的交界面，分析其物性特征認(rèn)為它對(duì)邊坡穩(wěn)定危害極大；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是指斷層、構(gòu)造節(jié)理等。礦區(qū)斷層發(fā)育程度相當(dāng)高，且由于礦區(qū)長(zhǎng)年的爆破與開(kāi)挖，造成的邊坡裂隙也十分發(fā)育，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不容忽視。

據(jù)已有資料和一般巖土視電阻率經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)分析，各地質(zhì)體視電阻率值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可知，各地質(zhì)體間存在一定電性差異，具備開(kāi)展高密度電法的地球物理?xiàng)l件。

表1 不同介質(zhì)電性分布情況

2 針對(duì)于基巖地表的方法改進(jìn)

高密度電法的普遍應(yīng)用區(qū)域的地表一般為松散的第四系覆蓋層，野外數(shù)據(jù)采集只需將銅電極豎直插入地表并保證電極與大地接觸良好即可。但本次勘察區(qū)域由于長(zhǎng)年受開(kāi)挖與爆破施工影響，地表以裸露基巖和碎石堆為主，電極難以插入地表。因此，針對(duì)于此類地表特征，制作了一種特殊的接地輔助裝置：采用上下均有開(kāi)口的桶型塑料模具，且下方開(kāi)口的直徑在15cm左右，上方開(kāi)口的直徑比銅電極的直徑略大即可(可選用較大塑料瓶、塑料桶，剪去下底)，在模具中填充澆灌了鹽水的濕潤(rùn)泥土并壓實(shí)，測(cè)量時(shí)將裝滿土的模具直立壓緊放在測(cè)點(diǎn)位置，使桶中泥土與地表接觸充分，然后再插入電極，以此完成相關(guān)野外數(shù)據(jù)采集。

為了驗(yàn)證該接地輔助裝置的可行性與有效性，分別用傳統(tǒng)接地裝置與輔助接地裝置布設(shè)了兩條測(cè)線，兩條測(cè)線點(diǎn)距與有效電極數(shù)一致，用傳統(tǒng)接地裝置布設(shè)測(cè)線的地表為松散的第四系覆蓋層，用輔助接地裝置布設(shè)測(cè)線的地表為裸露基巖，兩條測(cè)線地形均為水平且所在位置相距不足0.5m，以保證兩條測(cè)線下方的地質(zhì)情況基本一致。實(shí)驗(yàn)采用了溫納、偶極、微分三種常規(guī)排列裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于三種裝置的對(duì)比結(jié)果基本相同，本文就只例舉溫納裝置的成果對(duì)比圖(圖1)。

圖1 接地實(shí)驗(yàn)測(cè)線溫納裝置成果對(duì)比圖

由圖1可以得出以下結(jié)論。①兩條測(cè)線電性剖面的高、低阻異常區(qū)域的形態(tài)大小和分布位置基本保持一致。證明了輔助接地裝置不會(huì)造成采集數(shù)據(jù)的畸變和錯(cuò)誤。②在高密度電法勘探中，接地電阻過(guò)高會(huì)導(dǎo)致在反演剖面圖中視電阻率值偏低[9]，導(dǎo)致低阻異常程度被加強(qiáng)，而高阻異常程度被削弱。在兩條測(cè)線的0～70m段，采用傳統(tǒng)接地裝置的反演圖中接地電阻較高，而采用輔助接地裝置則有效的減小了接地電阻，且采用了輔助接地裝置的測(cè)線的20～40m段的低阻異常區(qū)域與45～70m段的高阻異常區(qū)域的異常程度都得到了有效的還原，使異常程度更趨近于真實(shí)。③該裝置可多次重復(fù)使用，且布設(shè)采集裝置快速，相對(duì)于傳統(tǒng)的接地裝置能很大程度上縮短野外布設(shè)測(cè)線的時(shí)間，提高野外工作的效率。

總的來(lái)看，本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輔助接地裝置的可行性與優(yōu)越性。證明了該裝置可以投入用于現(xiàn)場(chǎng)高密度電法的勘察工作。

3 工作方法及技術(shù)要求

高密度電阻率法的工作原理與常規(guī)電法完全相同，可進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，兼具剖面法和測(cè)深法的功能[2]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況本次勘察共布設(shè)11條高密度電法測(cè)線，野外施工選擇重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成野外原始數(shù)據(jù)采集工作，并根據(jù)不同裝置的實(shí)測(cè)效果[10-12]，采取溫納(α)、偶極(β)、微分(γ)三種裝置進(jìn)行綜合勘察，且11條測(cè)線的數(shù)據(jù)采集均使用了輔助接地裝置輔助采集數(shù)據(jù)。高密度電法反演使用軟件為瑞典ABEM 公司的RES2DINV二維電法處理軟件。數(shù)據(jù)處理包括：壞點(diǎn)剔除、濾波、網(wǎng)格化以及最小二乘法二維反演，最終得到電阻率等值線斷面圖[13]。

4 成果解釋

由于礦區(qū)長(zhǎng)年爆破施工造成的裂隙發(fā)育以及礦區(qū)磁鐵礦在整個(gè)邊坡的不均勻分布且對(duì)圍巖侵染程度不一，礦區(qū)底部部分區(qū)域有地下水出露，這些情況都將對(duì)整個(gè)物探工作的成果解釋造成一定程度的影響，因此在做最終成果解釋時(shí)，需要結(jié)合已有地質(zhì)資料(如鉆孔資料，地表勘察資料等)作出綜合解釋，才能保證最終結(jié)論的準(zhǔn)確性與可靠性。且由于現(xiàn)場(chǎng)地形及施工條件的限制，本次只對(duì)于測(cè)線所在位置的淺部進(jìn)行了勘察。

本次勘察共布設(shè)高密度電法測(cè)線11條，三種裝置反演成果基本一致。本文只選取異常較為典型或?qū)吰戮哂休^大意義的3條測(cè)線的溫納反演剖面圖進(jìn)行分析解釋，并綜合物探成果與鉆孔、槽探等相關(guān)地質(zhì)資料推測(cè)出測(cè)線所在位置的淺部簡(jiǎn)易地質(zhì)剖面圖。

圖2為1號(hào)測(cè)線的溫納剖面反演成果圖。1號(hào)測(cè)線位于邊坡底部，測(cè)線點(diǎn)距3m，長(zhǎng)度270m，有效電極數(shù)90。

從圖2可以看出，本條測(cè)線勘探深度為35～40m，其電阻率變化范圍主要集中在0～104Ω·m。兩種裝置電阻率剖面電性分布基本一致，測(cè)線視電阻率橫向差異明顯，分布不均。測(cè)線前端48m處的有明顯低阻異常，視電阻率小于10Ω·m，但由于受現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采施工影響，未能將測(cè)線前端延長(zhǎng)以增大對(duì)異常體的勘探深度，但與原有地質(zhì)資料和地表勘察綜合來(lái)看，推測(cè)為礦區(qū)內(nèi)的Ⅰ號(hào)富水?dāng)鄬?，斷層傾向?yàn)镹E向，傾角約80°，破碎帶影響寬度4m左右。至于其他淺部的低阻異常區(qū)域推測(cè)為含水裂隙。測(cè)線130m處深部至測(cè)線末端淺部存在一處厚度約10m的高阻薄層，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖性出露情況推測(cè)該高阻層應(yīng)為大理巖層，而測(cè)線160～240m處高阻層上部出現(xiàn)的薄層低阻異常應(yīng)為角閃片巖軟弱夾層(ω6)的電性反映，淺部阻值相對(duì)略高的區(qū)域應(yīng)為輝長(zhǎng)巖體。圖3為1號(hào)測(cè)線的地質(zhì)解釋剖面圖。

圖4為2號(hào)測(cè)線的溫納剖面反演成果圖。2號(hào)測(cè)線位于邊坡上部(海拔高程1598m)平臺(tái)上，測(cè)線總長(zhǎng)為112m，點(diǎn)距1m，有效電極數(shù)112。

從圖4可以看出2號(hào)測(cè)線勘探深度約為16～18m，其電阻率變化范圍主要集中在50～104Ω·m。反演剖面大部分區(qū)域?yàn)橐曤娮杪试?00～400Ω·m之間的低阻帶，由于該測(cè)線在邊坡上部，富水性差且地表裸露的基巖含鐵量較高，因此推測(cè)為受磁鐵礦侵染的輝長(zhǎng)巖。測(cè)線有兩處高阻異常區(qū)域，其中測(cè)線尾部淺表層的高阻異常推測(cè)為干燥的碎石堆，而反演剖面12m深度以下的高阻區(qū)域推測(cè)為大理巖，并根據(jù)電性層分界線劃出了輝長(zhǎng)巖與大理巖的交界面(圖4中黑色曲線)。圖5為2號(hào)測(cè)線的地質(zhì)解譯剖面圖。

圖6為3號(hào)測(cè)線的溫納剖面反演成果圖。3號(hào)測(cè)線位于采場(chǎng)底部西側(cè)，測(cè)線長(zhǎng)342m，點(diǎn)距3m，有效電極數(shù)114。

從圖6可以看出測(cè)線勘探深度近60m，其電阻率變化范圍主要集中在0～103Ω·m。在測(cè)線的150～190m處存在一條明顯的近垂直條帶狀低阻異常帶，視電阻率<20Ω·m，且異常體延伸至剖面底部，破壞了原有電性層的連續(xù)性，推測(cè)為礦區(qū)內(nèi)的II號(hào)富水?dāng)鄬?，斷層傾向近NE，傾角近垂直約80～90°，破碎帶影響寬度近30m，為礦區(qū)內(nèi)的最大規(guī)模斷層之一，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性有著極大的影響。近地表的低阻區(qū)域推測(cè)為含水裂隙。其他區(qū)域的視電阻率比較均勻一致，最高視電阻率低于1000Ω·m，推測(cè)為輝長(zhǎng)巖。圖7為3號(hào)測(cè)線的地質(zhì)解釋剖面圖。

此外，對(duì)其他8條測(cè)線也做了同樣的分析解釋，并通過(guò)與相關(guān)鉆孔等地質(zhì)資料的相互驗(yàn)證。共查明了礦區(qū)內(nèi)7條隱伏斷層、1處軟弱層(ω6)、1處輝長(zhǎng)巖與大理巖的巖性交界面的位置及其淺部的地質(zhì)特征。7條斷層均具有一定規(guī)模、富水性佳、破碎程度高；軟弱層存在于部分巖性交界面中，順坡向，易發(fā)生滑坡。這兩類構(gòu)造對(duì)邊坡的穩(wěn)定性都有著十分重大的影響。

圖2 1號(hào)測(cè)線溫納剖面反演成果圖

圖3 1號(hào)測(cè)線地質(zhì)解釋剖面圖

圖4 2號(hào)測(cè)線溫納剖面反演成果圖

圖5 2號(hào)測(cè)線地質(zhì)解譯剖面圖

圖6 3號(hào)測(cè)線溫納剖面反演成果圖

圖7 3號(hào)測(cè)線地質(zhì)解釋剖面圖

5 結(jié)論

1)高密度電法在用于本次礦山邊坡找尋斷層、軟弱層(ω6)以及巖性分層等方面均取得了較好的效果，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查與已取得的地質(zhì)資料，查清了探測(cè)區(qū)域淺部的構(gòu)造異常帶、巖性分布特征，為礦山邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算與分析評(píng)價(jià)以及后續(xù)相關(guān)治療措施提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2)針對(duì)于基巖裸露地表設(shè)計(jì)的輔助接地裝置，在此次勘察中取得了較好的效果，其實(shí)用性和優(yōu)越性都得到驗(yàn)證?？赏茝V用于其他類似地表?xiàng)l件下高密度電法或直流電法勘察(如城市公路、隧道完工段路面勘察等)。

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