工程物探技術(shù)在礦山巖土工程勘察中的應(yīng)用研究

夏志永

（廣西基礎(chǔ)勘察工程有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對礦產(chǎn)資源的需求不斷提高，礦山工程也在過程中得到不斷發(fā)展，對勘探技術(shù)的要求也越來越高。工程勘探技術(shù)是水工環(huán)地質(zhì)勘探的重要方法，具有勘察范圍廣泛，成本較低的特點，能夠使勘察人員較為詳細(xì)地了解巖土情況，因此在巖土工程的勘察工作中應(yīng)用較為廣泛[1]。

在實施礦產(chǎn)資源的勘探與開采工作前，需要對礦山進(jìn)行大量工程地質(zhì)勘察，其中包括了對礦區(qū)巖土組成、結(jié)構(gòu)等方面的勘察，其中，確定基巖覆蓋層的厚度是勘測地下礦體深度的前提，因此巖土勘察是巖土工程建設(shè)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，總結(jié)工程地質(zhì)特征，對今后的勘察設(shè)計工作有著重要的現(xiàn)實意義[2]。

由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜，使勘察人員在實際探測中根據(jù)不同地質(zhì)特征選擇不同的探測設(shè)備，而傳統(tǒng)方法只從自身探測角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及解譯的勘察結(jié)果往往與實際情況有著一定的偏差，工程物探技術(shù)種類眾多，根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)條件和特征，本文將工程物探方法與鉆探資料相結(jié)合，研究本文方法的工程勘察效果。通過對礦山巖土工程的勘察結(jié)果的分析與研究，能夠?qū)ο嗨频刭|(zhì)環(huán)境下的礦山巖土工程勘察提供一定的參考依據(jù)。

1 工程物探技術(shù)在礦山巖土工程勘察中的應(yīng)用

1.1 基于工程物探技術(shù)布置工作面

在礦山巖土工程建設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)，礦山工作面包含地面本身以及各類地面設(shè)施。為了實現(xiàn)對礦山工作面各組成部分相互協(xié)調(diào)的布設(shè)，引入工程物探技術(shù)對其工作面布設(shè)進(jìn)行設(shè)計。在地球地殼表面中，經(jīng)過各種地質(zhì)作用在基巖上的堆積物稱為覆蓋層，覆蓋層大部分都是巖性松散的狀態(tài)，受多個因素的影響，使地下沉積層產(chǎn)生了不同的結(jié)構(gòu)和巖性。覆蓋層的探測包括對厚度及分層的探測，根據(jù)不同的勘察目的，選用的方法也有所差異。針對本文勘察礦山巖土工程的需要，本文選用高密度電法進(jìn)行勘察，高密度電法將地質(zhì)勘探技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化結(jié)合，綜合了電剖面法和電磁測深法，能夠完成縱橫向的斷面測量[3]。在現(xiàn)場施工過程中，本文結(jié)合已有的地質(zhì)資料，對地下地質(zhì)體范圍和勘探深度進(jìn)行了解，選擇合適的電極距，由于本此勘探深度較為中等，因此通過一次布設(shè)。在測線的布置中，注意測線邊界在研究區(qū)域的有效勘探范圍內(nèi)，布設(shè)時盡量使同一列的電極保持平直的角度。安置多路墊板轉(zhuǎn)換器，設(shè)置50根電極，將50根電極與電極轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接。在對勘察工作面上各個測點進(jìn)行布置時，根據(jù)礦山巖土工程實際規(guī)模，將測點設(shè)置數(shù)量控制在10個～20個范圍內(nèi)，每兩個測點之前的距離相差應(yīng)當(dāng)在25cm～35cm范圍內(nèi)，針對每一個測點，分別設(shè)置三個不同方向上的測線，并且測點的方向是固定不變的，分別為斜向上45°、平行、斜向下45°（方向可根據(jù)實際勘察需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整）。在完成上述布置內(nèi)容后，還需要對礦山巖土工程勘察工作面整體進(jìn)行布置，確保工作面能夠滿足實際勘察需要，并且能夠在不破壞周圍生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，為勘察工作提供更便利的條件。

基于此，在進(jìn)行工作面的整體布置時，需要結(jié)合礦山巖土工程項目所在區(qū)域內(nèi)的礦床分布數(shù)據(jù)、礦區(qū)地形信息、水文地質(zhì)信息、氣象信息等進(jìn)行綜合分析，以此確?？辈旃ぷ髅娌贾镁邆涓吆侠硇浴?/p>

1.2 采集巖土數(shù)據(jù)

巖土數(shù)據(jù)的采集將運用最新的分布式高密度電法儀，使用溫納裝置進(jìn)行斷面掃描測量，獲取所測未知的電位分布。測量電極的選擇與轉(zhuǎn)換是高密度電法最重要的技術(shù)，本文選用的儀器通過轉(zhuǎn)換開關(guān)完成這一操作。溫納裝置在測量過程中，電極自西向東移動形成剖面線，在同一位置進(jìn)行多次測量，這種方法能夠應(yīng)對干擾較大的區(qū)域，在測量前設(shè)置預(yù)置周期次數(shù)就可以進(jìn)行多次測量，同時，預(yù)置終止條件，允許接入最大接地電阻，能夠簡化測量過程[4]。土質(zhì)對工程的勘察具有重要的影響，如果土壤過于疏松，使承載力較差，也會對勘察結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

本次勘察選取具有代表性的巖土樣品25份，結(jié)合已有地質(zhì)資料，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解譯。除此之外，在具體勘察的過程中，還可引入CR1000型號數(shù)據(jù)采集裝置，這種采集裝置在眾多數(shù)據(jù)采集器當(dāng)中具有更高的性價比。利用該型號數(shù)據(jù)采集裝置提供的測量、時間設(shè)置、數(shù)據(jù)壓縮等功能，輔助勘察工作巖土數(shù)據(jù)采集更順利的進(jìn)行。同時，該型號數(shù)據(jù)采集裝置在運行過程中的掃描速率超過100Hz，并且在該裝置上包含了多個用于模擬輸入、脈沖計數(shù)、電壓激發(fā)等連接端口，可通過12VDC外界充電電池完成供電。同時，由于勘察環(huán)境普遍存在復(fù)雜影響因素，并且所處環(huán)境惡劣，因此一般采集裝置無法實現(xiàn)穩(wěn)定運行，但CR1000型號數(shù)據(jù)采集裝置能夠充分適應(yīng)低溫和高溫環(huán)境，根據(jù)實際需要，在勘察的過程中也可以選擇低溫型或高溫型CR1000-XT/CR1000-XF型號數(shù)據(jù)采集裝置，進(jìn)一步提高巖土數(shù)據(jù)工作的可靠性。

由于實際勘察過程中會涉及到眾多的巖土數(shù)據(jù)類型，因此選擇CR1000型號數(shù)據(jù)采集裝置還基于其具備4M數(shù)據(jù)和程序存儲空間，可以直接通過外界存儲設(shè)備以及CF存儲卡實現(xiàn)對海量勘察數(shù)據(jù)的存儲。

在勘察工作中，對巖土數(shù)據(jù)的采集具體操作步驟為：首先，在上述布置的工程物探技術(shù)工作面上，完成對各個勘察電信息的編輯，將上述選擇的分布式高密度電法儀和CR1000型號數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置在各個勘察孔孔口位置上，待GPS裝置能夠發(fā)射穩(wěn)定的信號后，點擊“定位鉆孔”按鈕，并完成對各個孔口的定位。其次，在完成鉆孔操作后，還應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行拍攝。拍攝的內(nèi)容主要包括：勘察工作場景拍照、鉆機(jī)拍照、提鉆錄像、巖芯拍照等。在每一個鉆孔的第一次記錄時，都需要對鉆進(jìn)的整個過程進(jìn)行拍攝，以此進(jìn)一步反應(yīng)鉆井的方式。在后續(xù)的記錄過程中，若鉆進(jìn)方式?jīng)]有發(fā)生改變，則可以不在繼續(xù)拍照。在對巖土描述記錄時，需要對從鉆孔當(dāng)中獲取到的巖芯進(jìn)行拍攝，要求巖芯的長度應(yīng)當(dāng)超過1m，并按照從上到下的擺放順序放在巖心管當(dāng)中。在巖心管的周圍需要設(shè)置標(biāo)尺、分層標(biāo)簽等，確保在拍照記錄時能夠清晰辨認(rèn)。最后，在完成上述所有勘察數(shù)據(jù)采集的工作后，將數(shù)據(jù)上傳。在進(jìn)行描述和記錄的過程中，均可以通過傳輸軟件對每一次描述和記錄附加相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)以及時間數(shù)據(jù)，因此不需要針對每次獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸，只需要在有無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域再上傳數(shù)據(jù)即可。利用數(shù)據(jù)傳輸軟件自動上傳每一個鉆孔當(dāng)中的第一個數(shù)據(jù)信息，包括鉆孔信息輸入、孔口定位等。

同時，為了避免在數(shù)據(jù)上傳的過程中出現(xiàn)損壞或丟失的問題，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，需要按照鉆孔時的順序進(jìn)行上傳，因此確保數(shù)據(jù)的完整性，為勘察作業(yè)提供更加可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理勘察巖土覆蓋層

由于在實際勘察工作開展的過程中常常會存在異常數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響勘察結(jié)果的精度，因此針對上述獲取到的巖土數(shù)據(jù)，還需要對其進(jìn)行處理。

首先，明確異常的數(shù)據(jù)分為兩種情況，一種為缺失異常數(shù)據(jù)，一種為行為異常數(shù)據(jù)。前者通常是由于在采集過程中數(shù)據(jù)存在丟失導(dǎo)致，再細(xì)化可分為照片異常收據(jù)、錄像異常數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)缺失異常數(shù)據(jù)，共三種類型。后者是在勘察的過程中由于存在不合規(guī)范的操作行為而造成數(shù)據(jù)異常的類型，可再細(xì)化分為報告異常數(shù)據(jù)、位置異常數(shù)據(jù)和時間異常數(shù)據(jù)等類型。結(jié)合勘察數(shù)據(jù)的重要性，對異常程度進(jìn)行劃分，分為輕微異常、一般異常和嚴(yán)重異常共三種類型。針對不同異常類型數(shù)據(jù)，三個異常等級對于不同的具體內(nèi)容。以位置異常數(shù)據(jù)為例，其輕微異常、一般異常和嚴(yán)重異常分別對應(yīng)的情況為，輕微異常：在相同鉆孔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，位置出現(xiàn)偏移，且偏差超過200m的部分?jǐn)?shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的15%；一般異常：在相同鉆孔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，位置出現(xiàn)偏移，且偏差超過200m的部分?jǐn)?shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的25%；嚴(yán)重異常：在相同鉆孔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，位置出現(xiàn)偏移，且偏差超過200m的部分?jǐn)?shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的50%，或最大偏差已經(jīng)超過500m的勘察數(shù)據(jù)。

除此之外，除了上述針對異常數(shù)據(jù)類型處理以外，在采集到巖土數(shù)據(jù)后，需要對所有勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除突變點或虛假點。

由于在實際探測過程中受到電極及不確定因素的干擾，產(chǎn)生一定的與實際不符的數(shù)據(jù)，因此需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。若接地電極效果不好則會直接影響電流源大小，會出現(xiàn)讀數(shù)不穩(wěn)定或發(fā)生錯誤的情況。通過濾波處理法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除虛假點或突變點，在相鄰的兩個數(shù)據(jù)斷面會存在著一定的重疊部分，需要取重疊部分?jǐn)?shù)據(jù)的平均值，在剖面方向做平滑處理，是兩個斷面之間能夠平滑過渡，接下來將每個數(shù)據(jù)部分拼接進(jìn)行整體反演[5]。在實際的勘察中，由于地形起伏不同，使其對巖土探測的視電阻率的異常形態(tài)與位置有所偏差或變形，因此在數(shù)據(jù)反演后，還要將數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的地形校正。

2 工程應(yīng)用效果分析

工程物探方法對礦山的地下地質(zhì)情況的勘察效果較為明顯，不同的工程物探技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，其結(jié)果也存在著一定差異。當(dāng)工程項目受場地條件限制，實施時間較為緊迫時，就需要選擇最有效的方法減小勘察數(shù)據(jù)的誤差，達(dá)到理想的工程地質(zhì)效果。本文根據(jù)實際研究區(qū)域的覆蓋層地質(zhì)資料，將本文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，分析其應(yīng)用效果。本文選取5號測線的反演結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)覆蓋層推斷，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 推斷剖面圖

由圖1可知，根據(jù)本文方法進(jìn)行解譯得到的高密度推斷剖面圖，測線長度為90m，覆蓋了6個鉆孔，研究區(qū)域內(nèi)的礦山巖土層分為四層，各電性層具有較大差異，第一層是覆蓋層，主要為雜填土，視電阻率范圍在0～15Ω·m，厚度范圍在1m～1.5m之間，第二層為粉砂層，視電阻率范圍在25～80Ω·m，厚度范圍在4m～8m之間，第三層為卵石層，視電阻率范圍在15～45Ω·m，厚度范圍在3m～5m之間，第四層為基巖。由此看出覆蓋層厚度大概為4.5-8米左右。將本文方法與傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其不同方法對覆蓋層深度的勘察數(shù)據(jù)具體如表1所示。

表1 實際深度與不同物探方法探測結(jié)果對比表

由表1可知，本文方法在15號鉆孔的勘察結(jié)果與實際深度一致，對10鉆孔的勘察結(jié)果誤差最大，為0.5m，本文方法勘察結(jié)果的平均誤差為0.2m。傳統(tǒng)方法在7號鉆孔的勘察結(jié)果最佳，與實際深度相差0.4m，在2號鉆孔的勘察結(jié)果誤差最大，為0.9m，傳統(tǒng)方法勘察結(jié)果的平均誤差為0.57m，本文方法與傳統(tǒng)方法的勘察結(jié)果相比，平均誤差少了0.37m。因此，本文方法的勘察結(jié)果與傳統(tǒng)方法的勘察結(jié)果相比，更為接近實際深度，說明本文方法更適用，具有有效性。

3 結(jié)束語

本文通過對工程技術(shù)在礦山巖土工程勘察中的應(yīng)用研究，對巖土覆蓋層厚度進(jìn)行了探測，通過與其他物探方法與收集資料進(jìn)行對比分析，證明了本文方法的有效性，取得了一定的研究成果。

但由于時間和勘察條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，如對礦山巖土地層的變化規(guī)律及特性沒有進(jìn)行深入分析，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，對于抗干擾的處理還需要加強，使勘察結(jié)果的精度進(jìn)一步提高，在探測流程上還應(yīng)加強與規(guī)范，優(yōu)化對巖土工程勘察與質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)，推動工程建設(shè)的相更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆较蚯靶小?/p>