老撾他曲鉀鹽礦中利用探地雷達(dá)輔助探礦效果分析

單聯(lián)生

中農(nóng)國際鉀鹽開發(fā)有限公司，北京 100073

1 前言

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR），是一種無損探測儀器，具有輕便快捷、操作簡單、高效準(zhǔn)確等特點(diǎn)，是利用高頻寬頻電磁波探測地下介質(zhì)分布特征的一種地球物理探測技術(shù)，通過對雷達(dá)圖像的判讀可確定目標(biāo)體（管道、洞穴、埋藏物、地層等）的分布特征，也可以通過讀取接收到的反射波傳播時間和求取電磁波傳播速度來計(jì)算目標(biāo)體的埋藏深度，其應(yīng)用范圍從最初的冰層、鹽層等弱耗介質(zhì)擴(kuò)展到土層、煤層、巖層等有耗介質(zhì)中，在巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察、工程質(zhì)量檢測、地下埋藏物探測、塌陷和巖溶勘察、礦產(chǎn)資源勘探和考古學(xué)、冰河學(xué)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用【1】。

由于含鹽巖石具有良好的電磁波傳輸性能，利用電磁波在巖鹽中的這一性能，把雷達(dá)原理應(yīng)用到鉀鹽礦中進(jìn)行勘探是可行的【2】，該方法對礦床的勘探、礦床界限、內(nèi)部構(gòu)造以及繪圖等方面卓有成效。自此之后，美國、加拿大等眾多國家已經(jīng)把這種以雷達(dá)原理為基礎(chǔ)的勘探方法運(yùn)用到鹽礦中。

探地雷達(dá)古代探測深度從幾厘米至幾十米甚至近百米不等【3】。鉀鹽礦通常是埋深較大的礦產(chǎn)資源，受探測深度限制，雷達(dá)在鉀鹽找礦方面的應(yīng)用比較少，但考慮到鉀鹽與泥巖及泥膏巖的明顯電性差異，選擇合適的雷達(dá)系統(tǒng)，可以作為鉀鹽礦山生產(chǎn)探礦中的輔助探礦手段。在以機(jī)采為主要采掘手段的現(xiàn)代礦山采掘模式中，鉀鹽礦山的開采具有其特殊性。老撾他曲鉀鹽礦主要的礦石產(chǎn)出為光鹵石，其礦層沉積規(guī)律決定了礦體直接頂板為厚薄不均的原生層狀鉀石鹽或巖鹽，鉀鹽相較于鉀鹽層及光鹵石礦層具有較大的抗壓強(qiáng)度，能夠?qū)ο锏榔鸬揭欢ǖ闹ёo(hù)作用，開采過程中適當(dāng)保留一定厚度的頂部鹽層和礦房間柱可保證巷道頂板及圍巖的安全和穩(wěn)定性，無需支護(hù)作業(yè)，因此維持一定的礦層頂板厚度顯得尤為重要。巷道掘進(jìn)過程中，常規(guī)的探礦手段并不能隨施工進(jìn)行及時的探明前方礦體賦存情況，給施工帶來一定的盲目性，增加了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于探礦設(shè)備及探礦力量的限制，傳統(tǒng)的坑探與鉆探結(jié)合的探礦方式成本高，效率低，探礦工作存在嚴(yán)重滯后的情況。為此，我們引進(jìn)了拉脫維亞ZOND-12E型探地雷達(dá)輔助探礦，采用雷達(dá)與坑內(nèi)鉆結(jié)合的全新探礦方式，以達(dá)到保障施工安全，提高探礦效率的任務(wù)要求。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

本礦床位于泰國沙空那空盆地的東端北緣，屬于沙空那空成鉀盆地的一部分，沙空那空盆地則位于呵叻高原的北部，面積約為20 200km2。呵叻高原位于印支中間地塊，它處于藏滇印支地槽褶皺系南段。其南、西及北東三面分別以北柬埔寨、南烏江、湄公河深大斷裂控制，構(gòu)成一個獨(dú)特的長期持續(xù)下降的拗陷帶，其中沉積了廣泛厚大的中新生代紅色碎屑巖建造，特別是早白堊世晚期的燕山運(yùn)動，使拗陷內(nèi)沿大斷裂方向形成一系列的凹陷和水下隆起，控制了本區(qū)晚白堊—老第三紀(jì)的成鹽盆地的展布。此后，雖經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動影響，而高原內(nèi)部的構(gòu)造仍較簡單，其形態(tài)總體上為邊緣向上翹，周邊地層向盆地中心傾斜，盆地內(nèi)多以平緩波狀褶曲為主，斷裂較少。盆地中部被普潘隆起（馬哈沙拉堪鹽系沉積時為水下隆起）所隔，把大盆地分割為兩個相對獨(dú)立的盆地，北面的稱為“沙空那空盆地”，南面的稱為“呵叻盆地”【4】（圖 1）。

圖1 呵叻高原及老撾鄰區(qū)構(gòu)造略圖（據(jù)錢自強(qiáng)等，1994）Fig.1 Structure of the Khorat plateau and adjacent areas of Laos (according to Qian Ziqiang et al., 1994)

開采區(qū)礦床成礦地質(zhì)條件與沙空那空盆地基本一致，屬于海源陸相蒸發(fā)沉積鉀鹽礦床，系由光鹵石、鉀石鹽、巖鹽所組成的氯化物型鉀鹽礦床，主要構(gòu)造為鹽背斜，走向北南，兩側(cè)伴隨有向斜的部分。背斜軸部的上覆下泥層和中鹽層的厚度變薄或缺失，由于鹽類沉積的可塑性和重結(jié)晶性，難以確定其產(chǎn)狀和位置。主礦種為鉀鎂鹽礦產(chǎn)，主要鉀鹽層沉積于第一沉積旋廻的晚期，主要礦石產(chǎn)出為光鹵石，直接頂板為次生鉀石鹽或巖鹽，間接頂板為泥巖，底板為巖鹽，根據(jù)鉀礦層礦物組合和沉積序列，分為巖鹽—光鹵石—巖鹽（A）型，巖鹽—光鹵石—鉀石鹽—巖鹽（B）型，巖鹽—鉀石鹽—光鹵石—巖鹽（C）型，巖鹽—鉀石鹽—光鹵石—鉀石鹽—巖鹽（D）型，開采區(qū)礦層沉積以C型為主（圖2）。

圖2 開采區(qū)下鹽層C型沉積鹽背斜層位示意圖Fig.2 Sketch map of C type sedimentary strata salt anticline horizon, in mining area lower salt beds

3 探地雷達(dá)在鉀鹽礦床中的應(yīng)用

老撾他曲鉀鹽礦位于盆地邊緣，主要構(gòu)造為鹽背斜，兩翼礦體整體較平緩，多小型褶皺，礦區(qū)從最早的沿脈探礦和穿脈探礦方式逐漸演變?yōu)樘降V穿脈和坑內(nèi)鉆相結(jié)合的方式，之后為提高探礦效率，降低探礦成本，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，演變?yōu)槿坑每觾?nèi)鉆的探礦方式，基本不用探礦穿脈探礦，這種方式已經(jīng)在節(jié)能降耗方面取得較大的成績。但不足的是，為保證施工安全，在井下巷道掘進(jìn)過程中需要及時掌握前方礦體賦存情況，即及時進(jìn)行超前探測，以保證光鹵石上覆鉀鹽厚度維持頂板穩(wěn)定，坑內(nèi)鉆施工進(jìn)度較慢，在一定程度上影響生產(chǎn)的進(jìn)行。探地雷達(dá)的操作簡便快速準(zhǔn)確的性能，不僅可以有效解決超前探測的問題，做到邊探邊掘，還可以進(jìn)一步提升探礦效率。

3.1 探測方式的確定

常用的雙天線探地雷達(dá)探測方法有兩種，即剖面法和寬角法【5】，需結(jié)合礦山實(shí)際地質(zhì)情況和探測目的選擇探測方法。輔助探礦的目的，主要是探測巷道橫縱剖面上目標(biāo)巖體的厚度，適合用剖面法，發(fā)射天線與接收天線以固定間隔沿測線同步移動，每移動一次，便獲得一個點(diǎn)的雷達(dá)時間深度剖面記錄，在一條測線多點(diǎn)連續(xù)探測，最終生成連續(xù)的雷達(dá)時間深度剖面圖像，其橫坐標(biāo)為天線在測線上的位置，縱坐標(biāo)為探測深度（也有雷達(dá)顯示為雷達(dá)波的渡越時間）。

3.2 天線的選擇

探地雷達(dá)在不同探測介質(zhì)中的探測深度不同，一般來說，在鉀鹽礦中的探測深度較淺，影響探地雷達(dá)的探測深度、分辨率以及精度的因素是多方面的，如探測對象所處環(huán)境的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等因素，另外探測方法、所采用頻率、采樣速度等也對探測結(jié)果有所影響【6】。拉脫維亞ZOND-12e型探地雷達(dá)配備了兩種低頻天線（另有高頻天線可選），分別為 150-75-38Mhz天線（非屏蔽、空氣耦合）以及100Mhz天線（屏蔽、路面耦合），其中100Mhz路面耦合天線探測深度參考范圍為 5～30m，受周圍金屬及用電設(shè)備干擾較小，150-75-38Mhz手持型空氣耦合天線探測深度范圍為 7～45m，易受周圍金屬和用電設(shè)備的干擾。在探測點(diǎn)周圍無較大干擾源（主要為用電設(shè)備，測點(diǎn)釘頭等）時，可選用較為方便的手持型空氣耦合天線。通過前期的探測實(shí)驗(yàn)，合理的參數(shù)設(shè)置以及理想的探測環(huán)境，可使探測范圍達(dá)到5～50m，能夠滿足生產(chǎn)探礦的需要。

3.3 測點(diǎn)布設(shè)及網(wǎng)度控制

確定探測目標(biāo)地點(diǎn)后，由地質(zhì)人員根據(jù)需要給出探測方位及探測間距，測量人員根據(jù)給出的方位和間距進(jìn)行放點(diǎn)工作，放點(diǎn)完成后，還要對探測地點(diǎn)進(jìn)行檢查，主要是觀察電纜等用電設(shè)備或釘頭等金屬物體是否與雷達(dá)測線測點(diǎn)有足夠的距離，對可能影響探測效果的干擾物需進(jìn)行清理或移動，難以移動的，要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整測線測點(diǎn)位置，最后進(jìn)行探測。探測的網(wǎng)度要根據(jù)目標(biāo)巷道內(nèi)地質(zhì)資料的掌握情況及坑內(nèi)鉆的布設(shè)網(wǎng)度確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般每2個坑內(nèi)鉆之間布設(shè)2～3個測點(diǎn)可以很好的控制礦體變化，對于巷道前后未揭露頂板而附近又沒有鉆孔控制的位置，可以適當(dāng)加密。

探地雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)體的電性分布，要把介質(zhì)的電性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)情況，必須要在充分了解礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)的情況下，結(jié)合鉆探與雷達(dá)資料，建立合理的地質(zhì)-地球物理模型，并以此作為雷達(dá)資料解釋的基礎(chǔ)，得到探測位置的地質(zhì)情況。要掌握雷達(dá)波形在鉀鹽不同介質(zhì)中的特征和了解雷達(dá)的探測效果，鉆探資料與雷達(dá)探測資料的雙向驗(yàn)證是行之有效的方法之一。

4 探地雷達(dá)對鉀鹽礦床探測效果驗(yàn)證

4.1 利用礦體已探明區(qū)域建立波形變化特征初始參數(shù)

為明確探地雷達(dá)在鉀鹽礦體中對不同巖性的圖像特征，我們首先在已由坑內(nèi)鉆探礦完成的某探礦巷布設(shè)了探測點(diǎn)，測點(diǎn)位置選擇在坑內(nèi)鉆孔口點(diǎn)，為盡量減少周圍環(huán)境干擾以及巷道全空間響應(yīng)的影響，我們選擇了100Mhz路面耦合天線來做本次探測，介質(zhì)參數(shù)設(shè)為干鹽，共 8個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)測深45m，探測距離為5m，探測方式為步進(jìn)式連續(xù)探測，最后將其中 6個有效探測點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)處理，雷達(dá)原始探測資料進(jìn)行的處理包括濾波降噪，調(diào)整增益等，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料、突出目標(biāo)體、最大限度地減少外界干擾,為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像【7】。然后進(jìn)行地質(zhì)填圖，并對比礦體縱剖面巖性變化位置與雷達(dá)波形圖變化趨勢，此處以其中第四個測點(diǎn)為例，得到了波形圖及道檢測資料（圖3）。

圖 3左側(cè)為處理完成的輸出視圖，即以測點(diǎn)為起點(diǎn)前進(jìn)5m范圍的雷達(dá)波形剖面，橫軸為探測距離，縱軸為探測深度，縱軸 0點(diǎn)位置即為雷達(dá)天線與巷道頂?shù)慕佑|面，波形的變化代表探測縱向范圍內(nèi)電性差異介質(zhì)的界面；右側(cè)為其中一點(diǎn)道檢測圖，對應(yīng)左圖中標(biāo)記為 1的位置，代表該點(diǎn)處雷達(dá)波在一點(diǎn)處縱向上的變化，T為波形擺動跟蹤，A為波的衰減曲線，道檢測圖能夠清晰反映雷達(dá)波的相位振幅等變化，為正確讀數(shù)提供清晰準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖3 雷達(dá)探測剖面與道檢測數(shù)據(jù)Fig.3 Radar detection profile and lane detection data

通過雷達(dá)波形圖資料，判讀道檢測圖可以看出，縱向0～22m左右，雷達(dá)波持續(xù)衰減，中間波形微弱的波動推測為鉀鹽中的小夾層或捕擄體，可忽略，這個范圍可以認(rèn)定為單一介質(zhì)；明顯的波形變化深度位于巷道頂22.55m處，此處波形振幅略微增大，相位發(fā)生突變，衰減變慢，并且對應(yīng)輸出視圖上相應(yīng)深度形成一個連續(xù)界面，推測此處應(yīng)為介質(zhì)變化界面；在深度為26.06m處波形振幅激增，相位發(fā)生突變，衰減降至幾乎為 0隨后變快并再次衰減，推測此處為另一個介質(zhì)變化界面，且波形變化相較于上一個波形變化面幅度更大。

坑內(nèi)鉆為XY-2型小淺孔鉆機(jī)施工，ZT探4孔施工傾角為+40°，根據(jù)巖心取樣編錄結(jié)果，并將孔深換算為縱向深度，可知光鹵石鉀石鹽界線位于巷道頂22.59m處，鉀石鹽泥巖界線位于巷道頂25.97m處（圖4），圖4左側(cè)即為坑內(nèi)鉆孔揭露的層位資料圖，右側(cè)為雷達(dá)探測層位深度與鉆孔揭露層位深度的直觀對比。對應(yīng)雷達(dá)探測資料，其介質(zhì)變化界面分別位于22.55m和26.06m處，與鉆孔揭露巖性變化界面的深度基本相符，可以推斷第一個雷達(dá)波形變化界面即為光鹵石鉀石鹽界面，由于雷達(dá)反射信號的強(qiáng)弱取決于目標(biāo)體與圍巖的介電常數(shù)差異【8】，而兩者介電常數(shù)相近，雷達(dá)波形變化較?。坏诙€雷達(dá)波形變化界面為鉀石鹽泥巖界面，此處波形變化劇烈也是由于介電常數(shù)差異較大導(dǎo)致的。同樣的，我們對其他測點(diǎn)也進(jìn)行了層位深度與波形對比，基本與上述情況相符，并以此作為通過雷達(dá)圖像分辨層位的依據(jù)。但不同介質(zhì)中具體的波形變化特征還需要我們在隨后的探測工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期通過波形圖的讀圖準(zhǔn)確判定礦體界線。

圖4 坑內(nèi)鉆探揭露層位深度與雷達(dá)探測層位深度對比圖Fig.4 Comparison between layer depth in pit drilling and radar detection layer depth

4.2 利用坑內(nèi)鉆孔對雷達(dá)探測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選定另一處未施工坑內(nèi)鉆孔及其它探礦工程的巷道首先進(jìn)行雷達(dá)探測，以30 m×30 m的網(wǎng)度布設(shè)測點(diǎn)，每個測點(diǎn)測深45m，探測距離為5 m，探測完畢后將數(shù)據(jù)處理整合，依據(jù)輸出視圖顯示的礦體界線進(jìn)行了地質(zhì)填圖。同時在測點(diǎn)相應(yīng)位置安排施工坑內(nèi)鉆進(jìn)行探礦工作，并根據(jù)鉆孔巖心取樣編錄及化驗(yàn)結(jié)果，對該巷道礦體界線再次進(jìn)行地質(zhì)填圖，最終比較兩者所反應(yīng)礦體界線的異同，圖5為一段巷道的坑內(nèi)鉆孔與雷達(dá)探測資料的驗(yàn)證對比剖面圖。

圖5 坑內(nèi)鉆資料與雷達(dá)探測資料驗(yàn)證對比剖面Fig.5 Comparative profile of borehole drilling data and radar detection data

圖5左側(cè)為雷達(dá)探測完成后，根據(jù)探測資料得到的巷道及礦體縱剖面，數(shù)據(jù)的判讀參照此前建立的不同界面波形變化特征；右側(cè)為對應(yīng)雷達(dá)探測點(diǎn)布設(shè)坑內(nèi)鉆施工后，根據(jù)坑內(nèi)鉆資料得到的巷道及礦體縱剖面。

通過地質(zhì)剖面圖的對比，在相同位置上，除雷達(dá)探測數(shù)據(jù)上巖性與品位不可判斷外，兩者對鉀鹽泥巖的層位分界基本吻合（本條巷道共20個雷達(dá)測點(diǎn)，11個坑內(nèi)鉆孔，對比數(shù)據(jù)不做列舉）,這也驗(yàn)證了我們對雷達(dá)波形處理讀取方式的可靠性；通過大量數(shù)據(jù)的對比分析，雷達(dá)探測的界面深度誤差不超過0.5m，而生產(chǎn)中夾石剔除厚度規(guī)定為1m，也充分說明了鉀鹽礦床中利用探地雷達(dá)輔助探礦的可行性。

4.3 探地雷達(dá)輔助探礦的效果分析

探地雷達(dá)探礦的優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下幾個方面：

（1）相比坑內(nèi)鉆層位界線直連的方式，探地雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)更能反映實(shí)測段的礦體傾角及變化趨勢，這就使得兩者結(jié)合的探礦方式所反應(yīng)的礦體界線更加符合實(shí)際。

（2）探礦效率高。小淺孔巖心鉆機(jī)施工坑內(nèi)鉆效率平均為10 m /班次（8h），孔深達(dá)到30 m的鉆孔至少需要 3個班的時間，而探地雷達(dá)對每個測點(diǎn)5 m距離的探測時間平均在5min左右，探測深度在縱向上可達(dá)到45m。

（3）探礦成本小?？觾?nèi)鉆的探礦成本包含用電人工以及每米工程費(fèi)用，探地雷達(dá)由主機(jī)供電，除購進(jìn)成本外，基本不產(chǎn)生額外費(fèi)用。

（4）操作簡便，靈活，時效性強(qiáng)。探地雷達(dá)的探測只需要設(shè)定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，操作簡單，也不需要像坑內(nèi)鉆探礦考慮鉆機(jī)施工空間，對探測地點(diǎn)的要求較低，可以在掘進(jìn)迎頭進(jìn)行超前探礦，及時發(fā)現(xiàn)頂板泥巖低洼點(diǎn)，滿足及時指導(dǎo)施工的要求。

但探地雷達(dá)作為非針對鉀鹽探礦的探測工具，在鉀鹽礦床探礦工作中同樣存在不足之處。例如，探地雷達(dá)雖然能夠分清不同巖性介質(zhì)的分界面，但對介質(zhì)具體巖性不能確定，也無法取得礦石品位，還需要后期坑內(nèi)鉆資料對巖性和品位的補(bǔ)充；探測過程中易受周圍環(huán)境影響，主要是用電設(shè)備，測點(diǎn)金屬釘頭等，另外探測對象所處環(huán)境的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等因素也對探測結(jié)果有所影響；受雷達(dá)系統(tǒng)限制，在探測鉀鹽泥巖等不同介質(zhì)體時，道檢測圖無法給出具體的參數(shù)變化范圍，只有相對變化趨勢做參考，為讀圖帶來了一定的不確定性；光鹵石與巖鹽以及鉀石鹽三者介電常數(shù)相近，其層位分界面在雷達(dá)波形圖上顯示并不明顯，需要結(jié)合坑內(nèi)鉆資料來具體判別。

5 結(jié)論

通過雷達(dá)探測與鉆探施工的雙向驗(yàn)證，運(yùn)用探地雷達(dá)對鉀鹽礦床不同介質(zhì)體的探測準(zhǔn)確性較高，雖存在誤差，但遠(yuǎn)小于生產(chǎn)要求的夾石剔除厚度，并且對不同介質(zhì)體界面的波形變化也有規(guī)律可循。根據(jù)我們在生產(chǎn)中的運(yùn)用來看，利用探地雷達(dá)在鉀鹽礦床中輔助探礦具有效率高，成本低，操作簡單，使用靈活等優(yōu)勢。自礦山采用坑內(nèi)鉆與探地雷達(dá)輔助探礦相結(jié)合的全新探礦方式以來，不僅對礦區(qū)礦體的控制更進(jìn)一步，并且隨著使用經(jīng)驗(yàn)的積累，原先的坑內(nèi)鉆探礦網(wǎng)度已經(jīng)擴(kuò)大了一倍，節(jié)約了近一半的探礦費(fèi)用，隨著探礦效率的提高，也進(jìn)一步平衡了礦量儲備，探地雷達(dá)能充分解決探礦邊探邊掘的問題，準(zhǔn)確的把握巷道頂部礦體預(yù)留厚度，保障了生產(chǎn)施工的安全。由于技術(shù)及設(shè)備性能限制，雷達(dá)對鉀鹽礦床的探測不具有針對性，無法完全取代傳統(tǒng)探礦手段，但坑內(nèi)鉆與雷達(dá)探測相結(jié)合的探礦方式值得我們不斷研究。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展以及雷達(dá)在鉀鹽礦床探礦工作中的廣泛應(yīng)用，相信探地雷達(dá)設(shè)備和手段會在鉀鹽礦床的探礦工作中起到作用。

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