多手段物探技術(shù)在露天礦山邊坡地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

黃正均，張 英，任奮華，張 磊，黃志安

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

工程地球物理勘探越來越成為解決工程建設(shè)地質(zhì)勘探問題不可或缺的高科技手段[1]。工程物探勘察方法眾多，常見方法主要包括電法、磁法、地震法、彈性波測試、層析成像等，其中AGI高密度電阻率法和EH4大地電磁法均為應(yīng)用廣泛的電探法，比其他勘探手段效率相對(duì)較高，但這兩種方法工作原理和適用性各有不同。AGI高密度電阻率法是一種使用人工電場源的陣列式探測方法，其具有勘測快速高效、信息豐富、淺層測量精度較高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。EH4大地電磁法有效地將人工電磁場和天然電磁場兩種場源進(jìn)行了聯(lián)合，彌補(bǔ)了天然電磁場的不穩(wěn)定性和干擾強(qiáng)、訊號(hào)弱等不足，既具備有源電探法的穩(wěn)定性，也具備無源電磁法的節(jié)能性和輕巧性。EH4大地電磁法在我國盡管發(fā)展較晚，但由于具備勘探深度大、覆蓋范圍廣和精度高等優(yōu)點(diǎn)，在山地地區(qū)的礦山勘查和成礦探測中取得了良好的應(yīng)用效果[5-7]。

本文以某露天礦為工程背景，該露天礦在開采過程中揭露的破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶，在地下水、大氣降水和開采工作擾動(dòng)的作用下，容易導(dǎo)致滑坡、坍塌等災(zāi)害性工程地質(zhì)問題。為此，為保證后續(xù)開采工作安全正常進(jìn)行，通過將AGI高密度電阻率法和EH4大地電磁探測法相結(jié)合，綜合兩種物探手段的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行多手段物探研究，準(zhǔn)確地探測出礦山邊坡現(xiàn)場的隱伏地質(zhì)情況，為礦山安全高效的開采提供了有力支撐[8-10]。

1 工程概況

某露天金屬礦山礦區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育次級(jí)斷裂構(gòu)造方向分別為：北北東向、北北西向和北西西向。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，巖漿活動(dòng)頻繁，地層出露很少。礦區(qū)范圍內(nèi)地層以不同時(shí)代花崗巖體為主。該露天礦礦體埋藏淺，延伸深度大，儲(chǔ)量集中，共分為兩個(gè)首采區(qū)，即為首采區(qū)1和首采區(qū)2(圖1)。物探工作區(qū)主要為首采I區(qū)邊坡的西區(qū)，區(qū)域?qū)儆谇鹆甑貛业貏?shì)北高南低，地形起伏變化較大，相對(duì)高差274.5 m。區(qū)域內(nèi)主要斷層有F1、F3斷層，礦區(qū)內(nèi)巖體比較破碎。

2 多手段物探技術(shù)

2.1 AGI高密度電阻率法技術(shù)原理

AGI高密度電阻率法是根據(jù)巖(礦)石間的電性差異的不同，經(jīng)觀測研究人工電場在地下的分布規(guī)律特征，達(dá)到解決各種類型工程地質(zhì)問題的目的。通過事先布置好的電極，向地下輸入直流電來產(chǎn)生電場，并使用相關(guān)儀器進(jìn)行觀測，分析人工電場下地層電流的規(guī)律及其特征。最終能得到一個(gè)二維視電阻率斷面的測量結(jié)果，以此推斷出地下某個(gè)面狀的相關(guān)信息，在此信息的基礎(chǔ)上可以分析出深地地質(zhì)體的類型及其狀態(tài)，從而解決相關(guān)的地質(zhì)問題。

構(gòu)建地面下穩(wěn)定電流場需要同時(shí)設(shè)置兩個(gè)接地電極A和電極B，接地是為了使電源和大地構(gòu)成電回路。而均勻大地電阻率的測定則需要另外設(shè)置兩個(gè)測量電極M和電極N，見圖2。

圖1 礦區(qū)首采分區(qū)圖Fig.1 First mining area map of mining area

圖2 測量電極示意圖Fig.2 Measuring electrode schematic

從圖2可知電極M和電極N之間的電位差表達(dá)式，見式(1)。從而可知均勻大地電流場下電極M和電極N測量電極間的電阻率計(jì)算公式，見式(2)。影響非均勻電場的因素包括巖(礦)石之間互相重疊，以及斷層裂隙互相交織等，因此，ρS計(jì)算公式見式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：K為電極排列系數(shù)，與測量裝置方式有關(guān)；ΔU為電勢(shì)差；I為電流；jo為電極M和電極N間的電流密度；ρ為各向同性均勻巖石的電阻率；ρS為視電阻率。

最后根據(jù)采集的電阻率數(shù)據(jù)，采用最小二乘法反演分析測區(qū)地層地質(zhì)體的分布情況。

2.2 EH4大地電磁探測法技術(shù)原理

EH4大地電磁探測法是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然磁場信號(hào)作為激發(fā)場源，該場源是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中。利用大地巖(礦)石的電性差異，根據(jù)卡尼亞視電阻率公式(式(4))和趨膚深度公式(式(5))建立視電阻率隨深度變化的情況，最終確定出大地底層構(gòu)造特點(diǎn)及分布狀況。

(4)

(5)

式中：ρ為視電阻率；f為頻率；E為電場強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度；δ為趨膚深度。

2.3 工作方法和流程

AGI高密度電阻率法有不同的裝置形式，可以用來進(jìn)行各種組合測量，常按以下步驟進(jìn)行測量：首先針對(duì)要測量的工程范圍及其大小設(shè)計(jì)合適的測量方式；然后進(jìn)行現(xiàn)場布線，設(shè)點(diǎn)和測量；最后處理測量得到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行反演計(jì)算。

EH4大地電磁探測工作現(xiàn)場示意如圖3所示?，F(xiàn)場需布設(shè)X、Y兩個(gè)相互垂直方向上的測量電極4個(gè)，同時(shí)布設(shè)相互垂直的磁棒2根，可表示為HX、HY，另布設(shè)接地電極和發(fā)射天線，以及連接主機(jī)。再根據(jù)地質(zhì)情況和現(xiàn)場條件，選擇合適的采樣參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并現(xiàn)場確認(rèn)數(shù)據(jù)是否有效，否則需排除干擾并重新采集，再更換下一個(gè)測點(diǎn)。EH4大地電磁探測測量步驟與AGI高密度電阻率法基本一致，故不再贅述。

3 露天礦邊坡地質(zhì)勘探應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場探測剖線布置

根據(jù)礦區(qū)待探測區(qū)域的具體地形條件，現(xiàn)場共布設(shè)探測剖線共6條，沿采坑內(nèi)側(cè)往外側(cè)方向布置測線，每條測線均與露天境界線垂直。其中EH4實(shí)現(xiàn)6條測線全覆蓋，AGI高密度電阻率探測選擇其中的1#測線、3#測線和6#測線對(duì)其進(jìn)行協(xié)同探測，測線現(xiàn)場布置圖見圖4。AGI高密度電阻率法探測采用6 m極距，單條剖線長360 m，電極數(shù)60個(gè)，設(shè)計(jì)探測深度50～100 m；EH4大地電磁探測共設(shè)計(jì)布點(diǎn)98個(gè)，每條剖線長500～600 m不等，極距30 m，設(shè)計(jì)探測深度100～1 000 m以內(nèi)，與AGI探測深度進(jìn)行了有效接合。

圖3 EH4探測工作布置示意圖Fig.3 EH4 detection work layout diagram

圖4 探測區(qū)域測線布置圖Fig.4 The detection line layout in detection area

3.2 AGI探測結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理采用后處理軟件進(jìn)行反演分析。導(dǎo)出DAT數(shù)據(jù)文件，對(duì)反演數(shù)據(jù)在XZ平面上進(jìn)行網(wǎng)格化，利用二維分析處理軟件進(jìn)行相應(yīng)的二維反演分析，并根據(jù)地質(zhì)地球物理?xiàng)l件進(jìn)行修正，以提高其精度。最后，對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖處理，得到1#測線、3#測線和6#測線的地層電性圖形，限于篇幅有限，僅以3#測線為例，見圖5。

3#探測剖線位于西部礦坑的中部，剖線跨越礦坑最終邊界線，探測剖線走向?yàn)闁|西向，西側(cè)高，東側(cè)低。由反演斷面圖5可以看出，東西兩側(cè)電阻率差異明顯，東側(cè)電阻率分布在600～4 000 Ω·m范圍內(nèi)，西側(cè)電阻率分布在30～600 Ω·m范圍內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料及圖5可知，東西兩側(cè)電阻率的差異是由于地層中存在構(gòu)造導(dǎo)致，構(gòu)造位于探測剖線中部，對(duì)應(yīng)探測剖線所在位置推斷構(gòu)造在礦坑邊界線附近，構(gòu)造呈現(xiàn)北北西走向，傾角較陡，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料，該構(gòu)造與F3斷層吻合，而且在該區(qū)域F3斷層的寬度很大，約為70 m，斷層表現(xiàn)為低阻體，并結(jié)合后期地質(zhì)鉆探和地表含水情況，推斷該處斷層內(nèi)部為含水層。在探測剖線對(duì)應(yīng)的250～300 m的位置存在一個(gè)低阻體，深度約30 m，同樣結(jié)合后期地質(zhì)鉆探和地表含水情況，推斷為地表含水層，對(duì)應(yīng)礦坑邊坡邊界，該低阻體位于礦坑內(nèi)。對(duì)應(yīng)探測剖線位置及邊坡邊界線，斷層位于礦坑內(nèi)部，隨著礦坑的開挖，斷層與邊坡會(huì)出現(xiàn)相交的現(xiàn)象，且相交位于邊坡下部，對(duì)邊坡整體的穩(wěn)定性有很大的安全隱患。

圖5 探測線采用溫納方法的二維反演斷面圖Fig.5 Two-dimensional inversion section of the detection line using the Wenner method

圖6 探測線二維反演斷面圖Fig.6 Two-dimensional inversion section of detection line

3.3 EH4探測結(jié)果分析

EH4數(shù)據(jù)處理同樣采用后處理軟件進(jìn)行反演分析。同樣以3#測線為例，3#探測剖線位于西側(cè)礦坑的中部，剖線跨越礦坑最終邊界線，探測剖線走向?yàn)闁|西向，3#探測剖線位于與AGI高密度電阻率法探測剖線位置重合。探測反演深度為1 000 m，見圖6(c)。結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料及反演圖可知：高阻區(qū)呈現(xiàn)“V”字形分布狀態(tài)推斷存在2組構(gòu)造，其中反演圖形西側(cè)構(gòu)造呈現(xiàn)北北西走向，傾角較陡，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料與地表地形圖，該構(gòu)造與F3斷層吻合，并與前述AGI反演結(jié)果對(duì)應(yīng)一致；東側(cè)構(gòu)造呈現(xiàn)北北東走向，傾角較陡，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料與地表地形圖，該構(gòu)造可推斷命名為F4斷層，并結(jié)合其余探測剖面反演結(jié)果，推斷該斷層的發(fā)育起點(diǎn)為礦坑西側(cè)中部，位于沖溝東側(cè)，向礦坑內(nèi)部發(fā)展，深度約為600 m。該區(qū)域構(gòu)造的寬度和深度很大，而且存在2組大的構(gòu)造，其中推斷次生構(gòu)造也較發(fā)育，因此該區(qū)域邊坡應(yīng)該得到足夠的重視。對(duì)應(yīng)地表地形圖，兩組構(gòu)造都位于礦坑內(nèi)部，隨著礦坑的開挖，斷層與邊坡會(huì)出現(xiàn)相交的現(xiàn)象，且相交位于邊坡下部，對(duì)邊坡整體的穩(wěn)定性有很大的影響。

如圖6所示，綜合6條剖線反演圖形整體進(jìn)行分析可知：①圖形中的高阻異常體呈現(xiàn)一定連續(xù)性，地層內(nèi)構(gòu)造具有連續(xù)性和完整性；②探測區(qū)域地層內(nèi)存在2組構(gòu)造，其中一組為F3斷層，另一組為F4斷層；③F3斷層貫通礦坑西部，呈現(xiàn)近南北走向，切斷了西部邊坡，在西北部和西南部斷層位于礦坑外側(cè)；在礦坑西側(cè)中部，斷層位于礦坑內(nèi)側(cè)，隨著邊坡開挖，斷層將與邊坡相交于底部。因此，該斷層對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響很大；④F4斷層發(fā)育起點(diǎn)在礦坑西側(cè)中部，位置沖溝的東側(cè)，呈現(xiàn)北北東走向，向礦坑內(nèi)部發(fā)展，深度約為600 m。

通過二維反演斷面圖綜合對(duì)比了AGI高密度電阻率法和EH4大地電磁探測法在異常地質(zhì)構(gòu)造位置的不同之處，AGI探測深度較淺且淺部勘探效果好，驗(yàn)證了F3斷層所在位置的地質(zhì)構(gòu)造情況，而EH4探測深度較深，利于查明可能存在新斷層的位置情況，工程中順利探測出新的F4斷層。最后通過勘探鉆孔并結(jié)合勘探剖面圖(圖7和圖8)驗(yàn)證了兩種方法推測出的斷層位置。兩種物探方法綜合使用，能夠更好地查明礦區(qū)異常地質(zhì)構(gòu)造，再輔以部分鉆孔勘探和現(xiàn)場踏勘進(jìn)行驗(yàn)證，表明其在露天邊坡探測工程中的應(yīng)用效果顯著，為金屬礦露天邊坡地質(zhì)探測提供了一種快速、高效、高精度的勘探方法。

圖7 23勘探線剖面圖Fig.7 23 exploration line profile

圖8 實(shí)驗(yàn)鉆孔在11縱線剖面圖中的位置Fig.8 Experimental drilling position in the 11 vertical line profile

4 結(jié) 論

綜合應(yīng)用AGI高密度電阻率法和EH4大地電磁探測法對(duì)金屬礦露天礦山邊坡異常地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了探測工作，應(yīng)用結(jié)果效果較為理想。

1) 礦坑西側(cè)存在一條貫穿整體邊坡的斷層構(gòu)造，呈近南北走向，切斷了西部邊坡，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響很大。在西北部和西南部斷層位于礦坑外側(cè)，邊坡易產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象，在礦坑西側(cè)中部，斷層位于礦坑內(nèi)側(cè)，但隨著邊坡開挖，斷層將與邊坡相交于底部，不利于邊坡穩(wěn)定性。

2) 查明了新的F4斷層，發(fā)育起點(diǎn)在礦坑西側(cè)中部，位置沖溝的東側(cè)，呈現(xiàn)北北東走向，向礦坑內(nèi)部發(fā)展，深度為600 m左右。

3) 礦坑中部構(gòu)造的寬度和深度較大，且存在2組大的構(gòu)造，其中推斷次生構(gòu)造也較發(fā)育，斷層屬于富含水區(qū)域，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性十分不利。