綜合物探方法在石灰?guī)r礦巖溶勘察中的應用

周富隆

（華潤水泥(南寧)有限公司，廣西 南寧 530043）

狗頭山礦區(qū)水泥用石灰?guī)r露天礦位于廣西南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)雙定鎮(zhèn)。該地區(qū)巖溶發(fā)育，開采技術條件復雜，在礦山開采過程中不斷出現(xiàn)巖溶塌陷，給礦山的生產(chǎn)運營帶來了極大的危害。據(jù)統(tǒng)計，礦山從2011年至2017年5月累計發(fā)現(xiàn)的溶洞多達104處，其中引發(fā)較大規(guī)模地面塌陷的溶洞達18處，因巖溶引起地面塌陷造成的人身傷害事故1起、險肇事故8起，嚴重威脅礦山的安全生產(chǎn)。因此，采取有效的工程技術手段，查明礦區(qū)隱伏巖溶的位置、空間形態(tài)和規(guī)模范圍，及時采取有效的防治措施，消除安全隱患，對礦山安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)勘查工作普遍采用地質(zhì)鉆探的勘查方式，但因鉆探工作效率較低、工程周期過長、工程成本高，不能快速開展大范圍的勘查工作，無法滿足礦山生產(chǎn)運營過程中及時發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷隱患、有效開展防治的工作要求。而工程物探具有高效、數(shù)據(jù)采集密度高、工程成本低等優(yōu)勢，在工程建設中得到廣泛應用。隨著工程物探理論和技術的不斷發(fā)展和成熟，越來越多的工程物探方法在巖溶勘察工作中應用和實踐，并得到有效驗證，因此采用物探方法開展礦區(qū)的隱伏巖溶勘察具有應用基礎。但受現(xiàn)場條件的限制，目前的很多物探方法在實際應用過程中往往存在探測結(jié)果的多解性，單一的物探方法很難準確圈定隱伏巖溶的具體位置和空間形態(tài)。因此，需要根據(jù)現(xiàn)場實際條件，正確選擇和運用多種物探方法進行綜合物探和相互驗證，才能提高物探結(jié)果的準確性。

考慮到礦山已經(jīng)開采多年，采場平面為電阻率高、接地性差的石灰?guī)r，電阻率中梯法和高密度電法因電極不能插入堅硬的石灰?guī)r面，電流無法穿透高阻區(qū)，故擬選用瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法和淺層地震映像法相結(jié)合的方法開展礦山巖溶勘察工作。

1 物探方法及原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法簡稱TEM，其基本原理就是電磁感應定律，即利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率，通過介質(zhì)電阻率的變化進行反演、推斷。瞬變電磁法可以采用同點組合進行觀測，使與探測目標物耦合最緊，取得的異常響應強，形態(tài)簡單， 分層能力強，具有測地工作簡單、工作效率高、探測深度大的優(yōu)點[1]。在石灰?guī)r地區(qū)，完整基巖的視電阻率呈高阻，在灰?guī)r區(qū)其低阻異常區(qū)為巖溶發(fā)育區(qū)，干燥的溶洞空洞反映為高阻閉合圈；洞構(gòu)造破碎帶呈明顯低阻異常，且縱向延伸大，有明顯的視電阻率梯度異常，因此具備應用前提條件。

1.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達(GPR)是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法，其理論基礎為高頻電磁波理論[2]。地質(zhì)雷達向地下發(fā)射高頻電磁脈沖，在電磁波向地下傳播的過程中如遇到電性差異的巖溶、破碎帶、含水層等不同電性介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射，天線接收反射波信號后再通過進一步的信號處理和解釋即可確定地下的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和分布。在石灰?guī)r地區(qū)，完整石灰?guī)r的電阻率很高，而粘土、溶洞、溶槽、裂隙發(fā)育含水(泥)石灰?guī)r電阻率較低，其相對介電常數(shù)和電磁波傳播速度差異較大，可從雷達信號區(qū)分出來。本次選用地質(zhì)雷達法開展石灰?guī)r礦的巖溶勘察具備應用前提條件。

1.3 地震映像法

地震映像法是通過地表人工激發(fā)產(chǎn)生地震波，當向地下傳播的地震波遇到波阻抗不同的界面時，就會發(fā)生反射、折射和透射[3]。利用檢波器將反射波和折射波到達地面所引起的微弱振動變成電信號，送入地震儀經(jīng)濾波、放大后整理、分析、推解，得到地震影像剖面圖，進而推算出不同地層分界面的埋藏深度、產(chǎn)狀、構(gòu)造等。

2 物探方法有效性試驗

為驗證物探方法的有效性，并為各物探方法選定工作參數(shù)提供參考依據(jù)，在進行大范圍的物探工作前，技術人員先選擇在礦區(qū)242m采場已出現(xiàn)巖溶塌陷的區(qū)域進行物探方法有效性試驗。通過沿已知的14#巖溶塌陷回填區(qū)布置170m長的探測線，觀察三種物探方法對14#巖溶塌陷回填區(qū)的反應來驗證這三種物探方法的有效性。試驗工作中，瞬變電磁法采用ATEM瞬變電磁觀測系統(tǒng)，采用重疊回線裝置進行觀測，工作參數(shù)為：供電電流40A，疊加次數(shù)200，供電頻率25Hz，點距5m；地質(zhì)雷達檢測采用了意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2最新型探地雷達設備，天線選擇80MHz屏蔽天線和25MHz非屏蔽天線，天線距1.00m，采樣點距0.50m，采用連續(xù)測量方式；淺層地震檢測采用的是重慶地質(zhì)儀器廠開發(fā)研制的DZQ48/24/12-2A高分辨地震儀。三種物探方法的探測結(jié)果分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 瞬變電磁法試驗剖面圖

圖2 地質(zhì)雷達法試驗剖面圖

圖3 淺層地震影像法試驗剖面圖

如圖1所示，瞬變電磁法反演剖面顯示有4處明顯的低阻異常，其中，25m處的低阻異常形態(tài)狹小直立、規(guī)模較小，推斷為巖溶裂隙發(fā)育引起，深度約10m；60m處的異常寬約10m，異常體近似直立，推斷為巖溶發(fā)育，深度約15m；90m處的異常推斷為巖溶發(fā)育，深度約20m；152m處的異常呈直立狀，寬約8m，幾乎與地表相通，該異常所在就是14#溶洞坍塌回填區(qū)的位置，是14#溶洞的反映結(jié)果。而圖2所示的地質(zhì)雷達法反演剖面圖同樣有4處明顯的單支雙曲線反射異常，其中，在10m及25m處的-22m至-33m深部存在相對明顯的雷達波雙曲弧形反射界面，表明雷達波在這兩處位置產(chǎn)生繞射波，推測為規(guī)模較小的巖溶異常在雷達剖面上的反應；63～93m處的-21m至-53m深部存在非常明顯的連續(xù)單支雙曲線反射異常，推斷該異常為規(guī)模較大的巖溶異常在雷達剖面上的反應；而位于152m處的14#溶洞塌陷回填區(qū)的-4～-43m同樣存在雙曲線反射異常。

綜合分析對比瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法的探測結(jié)果，表明這兩種物探方法對14#巖溶塌陷回填區(qū)的反應是明顯的，而且對探測線上的另外3處未知巖溶異常的反應結(jié)果也大致相同，但在具體的位置和分布范圍上有所偏差。經(jīng)過相互對比、反演，推測探測線上的另外3處巖溶分別在23m、62m和92m，埋深(寬度)分別為10～31m(3m)、15～53m(3.5～8m)和20～55m(0.5～10m)，綜合物探成果反演推斷的巖溶分布情況見圖4。經(jīng)鉆探驗證，地質(zhì)雷達法反演的10m處未發(fā)現(xiàn)異常地質(zhì)情況，而推斷位于23m處的3-R1在13～25m埋深處為填充的巖溶松散層，62m處的3-R2在12～27m埋深處為填充的巖溶，92m處的3-R3在19m以下為巖溶空洞。鉆探驗證結(jié)果說明，瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法對巖溶探測的結(jié)果是準確、有效的，但同時也表明了單一的物探推斷可能出現(xiàn)誤判，需要多種物探方法綜合驗證才能保證勘查工作的質(zhì)量。

圖4 綜合物探反演的巖溶成果剖面

淺層地震映像法因采場內(nèi)的鏟裝、運輸設備持續(xù)作業(yè)，干擾的震動源較多，加之采場在經(jīng)過爆破后產(chǎn)生較多的裂隙和破碎層，上部破碎層對反射波的散射使得所采集的數(shù)據(jù)可靠性不高，造成地震映像法的剖面圖異常較多，不易判斷、分析。試驗證明，淺層地震映像法不適用于生產(chǎn)礦山的巖溶探測。

3 綜合物探實踐成果與驗證分析

3.1 綜合物探實踐成果

根據(jù)前期的物探方法有效性試驗結(jié)果，礦區(qū)的巖溶勘察工作采用瞬變電磁法和地質(zhì)雷達法相結(jié)合的綜合物探方法?？紤]到礦山采用自上而下水平分層臺階開采方式，以14m的臺階高度作為一個開采臺階進行多臺階同時開采，而容易對當前礦山的生產(chǎn)造成較大安全隱患的巖溶為隱伏在采場淺層的規(guī)模較大的空腔巖溶或松散填充巖溶，因此需要開展淺部分辨率和精度較高的探測；為兼顧開采程度較低的礦段，并為以后的生產(chǎn)提供安全預警信息，則還需要對采場下部的2～3個開采臺階(深度約42m)開展能夠?qū)χ?、淺層具有較高分辨率且能夠達到一定勘探深度的探測。

根據(jù)礦山生產(chǎn)的實際情況以及物探方法有效性試驗結(jié)果，為了使淺部7～14m范圍有較高分辨率，探明淺部裂隙、溶洞等對礦山生產(chǎn)造成危害的不良地質(zhì)體，地質(zhì)雷達法在原選用的80MHz屏蔽天線測線的基礎上，增加200MHz中心頻率一體化屏蔽天線探測線。80MHz和200MHz中心頻率測線的采樣線距為5m、點距0.50m、采樣長度512點；為了獲得較大的勘探深度，掌握采面下不小于42m范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，測量時選用25MHz中心頻率天線，采樣線距在80MHz和200MHz中心頻率測線的基礎上進行加密，將采集線距提高到2.5m、點距0.2m、采樣長度1 024點，采用連續(xù)測量方式。而瞬變電磁法采用5m線距、2m點距進行信息采集，物探測線的布設使用高精度RTK實時動態(tài)控制測量系統(tǒng)，測線與地質(zhì)雷達法的80MHz及200MHz中心頻率測線重合。物探勘查工作在礦區(qū)0.364km2的范圍內(nèi)共布設了273條25MHz頻率、137條80MHz及200MHz頻率的地質(zhì)雷達測線以及137條瞬變電磁法測線。受天氣影響，物探勘察工作分三個階段實施，經(jīng)過26天的野外測量和9天的數(shù)據(jù)分析、整理，累計完成探測剖面94.41km，綜合物探勘查工作完成情況見下表。

礦山巖溶綜合物探工作統(tǒng)計

經(jīng)過地質(zhì)雷達測線剖面和瞬變電磁法視電阻率反演剖面圖的分析、推斷和理論驗證，本次綜合物探工作推斷、圈定了172處巖溶異常。其中，推測圈定埋深較小、規(guī)模較大、可能對礦山的生產(chǎn)造成較大安全隱患的溶洞或斷裂破碎帶等不良地質(zhì)體有32處，推斷巖溶發(fā)育破碎帶重點區(qū)域有11處，推測、圈定規(guī)模較小、對礦山今后的生產(chǎn)不造成較大安全隱患的空洞、裂隙或軟弱帶有129處。

3.2 物探成果鉆探驗證與統(tǒng)計

為驗證綜合物探成果的準確率，礦山采用抽樣鉆探方式進行成果檢驗。由于礦山生產(chǎn)使用的一體化潛孔鉆機的最大鉆孔深度為27m，因此，抽樣驗證只篩選了67處埋深＜27m的巖溶異常進行鉆探驗證。

經(jīng)對推斷、圈定的67處巖溶異常進行鉆探驗證，共確認有36處為巖溶及破碎帶，3處為富水巖層，物探成果驗證準確率為53.7%。

3.3 物探驗證結(jié)果分析

通過對整個物探工作的綜合分析總結(jié)，認為影響物探成果準確性的因素主要有以下兩方面：

(1) 物探成果圖像解釋和異常識別是一個經(jīng)驗積累的過程，除了選擇準確的方法和參數(shù)，獲得高質(zhì)量的圖像外，還需正確的判別異常才能獲得可靠、準確的探測解釋結(jié)果。在物探工作中，設備在接收有效信號的同時，不可避免地接收到各種干擾信號，如果不能準確識別干擾波及目標體的圖像特征，將會出現(xiàn)誤判、漏判，從而影響物探成果的準確性。在勘察工作后期階段的礦山生產(chǎn)中，就發(fā)現(xiàn)有勘查區(qū)內(nèi)的6處巖溶異常未在物探成果中得到異常反映。

(2) 物探方法具有一定的多解性，推斷的危害較大的物探異?？赡懿煌耆且?guī)模較大的溶洞或者斷裂破碎帶造成的，亦可能是富水巖層等原因造成。由于整個勘查工作持續(xù)了較長的時間，期間受降雨影響，勘查區(qū)內(nèi)的部分采場表面存在積水、采場下部巖層含水率變化，這些因素都會對信息的采集產(chǎn)生影響，如在物探的數(shù)據(jù)處理、分析過程中未分別采取合理的參數(shù)進行甄別、過濾處理，將容易出現(xiàn)誤判、漏判。

4 結(jié)語

通過本次對水泥用石灰?guī)r露天礦開展大規(guī)模的巖溶探查、鉆探驗證和巖溶勘察工作的總結(jié)，積累了寶貴的經(jīng)驗，也得到了失敗的教訓。工程實踐表明，物探方法在石灰?guī)r礦山巖溶勘察方面是具有應用價值的。其中，地質(zhì)雷達法在本次的勘察實踐中對巖溶異常的反應最靈敏、最準確，效率最高，可作為未來石灰?guī)r礦山巖溶勘察的主要物探方法。同時需要注意的是，地質(zhì)雷達易受到外界干擾，干擾源對雷達數(shù)據(jù)采集的準確性影響很大，在數(shù)據(jù)分析、處理過程中需要認真加以辨別、確認。

相較于傳統(tǒng)的鉆探方式，物探方法在礦山巖溶勘探方面更具有技術優(yōu)勢和應用前景。但受使用環(huán)境、場地地質(zhì)因素、物探方法的技術特點等多方面的影響，單一的物探方法都有各自的局限性，必須采用綜合物探方法才能充分利用各種物探方法的技術優(yōu)勢，從而使探測成果更加準確、可靠。

本次物探工作為今后的石灰?guī)r礦山巖溶探查工作積累了實踐經(jīng)驗。隨著物探方法理論與技術的發(fā)展，以及物探實踐經(jīng)驗的不斷積累，物探方法在巖溶勘察方面的應用成果將會不斷擴大，未來通過綜合運用多種物探方法開展石灰?guī)r礦山的巖溶勘察將會取得更顯著的成果，并為水泥礦山的安全生產(chǎn)作出更大的貢獻[4]。