高密度電法在勘探基巖裸露礦山的不良地質體中的改良與研究

2014-04-01 02:45:14汪楷洋庹先國劉明哲

中國礦業 2014年11期

汪楷洋,庹先國,張賡,李彬,劉明哲

(1.成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059；3.西南科技大學，四川綿陽 621010)

對于我國許多露天開采的老礦山來說，礦山邊坡的穩定性對于后期礦山的施工安全有著至關重要的影響，而對于邊坡穩定性的評估，首先應該從地質上來認識邊坡，傳統勘探方法(鉆探、槽探等)以點帶面，常帶來漏判、劃分不準確、工期周期長等缺點[1-2]。隨著地球物理勘探技術的發展，近幾年來高密度電阻率法在對滑坡、隱伏斷層等不良地質現象的勘察中已取得了良好的效果[3-7]，且相對于傳統物探方法而言，高密度電法具有效率高、成本低、分辨率高等特點[8]。

本次勘探的礦山為攀枝花釩鈦磁鐵礦山，已經過近四十年的生產，進入深凹露天開采階段，將來最終工程邊坡高達555m，服務年限還有十五年多，為攀鋼礦業集團鐵礦主要來源之一，具有很高的經濟價值。但近幾年礦山邊坡不穩定的現象及出現的病害給生產構成的威脅日趨嚴重，邊坡整體的穩定性將直接影響后期施工的安全。而在邊坡穩定性評價的過程中，詳細準確的工程地質資料起著至關重要的作用。故現在對邊坡進行相關地質勘查，從而對邊坡整體穩定性做出分析評價，并及時跟進某些處治措施是十分必要的。但由于長年的開挖與爆破，工區地表為裸露基巖或碎石堆，這一特征會使本次勘察有別于傳統的高密度電法勘探。

1 地質概況及地球物理特征

工區位于四川省攀枝花市東區蘭尖鐵礦露天采場內，在構造上處于康藏高原東緣，康滇地軸中段西側邊緣。礦區采用臺段式開采，到現在已經行成了高約420m臺階狀的高陡邊坡。從已取得的地質資料來看，工區內地形受巖性及構造控制，為構造剝蝕地形，區域內主要組成巖體為大理巖、角閃片巖、細粒及細粒流層狀輝長巖、粗粒輝長巖、鐵礦體等5個巖組。邊坡下盤巖體內主要發育有兩類結構面，即原生結構面和構造結構面。原生結構面是指軟弱夾層及泥化夾層等，主要存在于輝長巖與大理巖的交界面，分析其物性特征認為它對邊坡穩定危害極大；構造結構面是指斷層、構造節理等。礦區斷層發育程度相當高，且由于礦區長年的爆破與開挖，造成的邊坡裂隙也十分發育，對邊坡穩定性影響不容忽視。

據已有資料和一般巖土視電阻率經驗值統計分析，各地質體視電阻率值統計見表1。由表1可知，各地質體間存在一定電性差異，具備開展高密度電法的地球物理條件。

表1 不同介質電性分布情況

2 針對于基巖地表的方法改進

高密度電法的普遍應用區域的地表一般為松散的第四系覆蓋層，野外數據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。但本次勘察區域由于長年受開挖與爆破施工影響，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：采用上下均有開口的桶型塑料模具，且下方開口的直徑在15cm左右，上方開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泥土并壓實，測量時將裝滿土的模具直立壓緊放在測點位置，使桶中泥土與地表接觸充分，然后再插入電極，以此完成相關野外數據采集。

為了驗證該接地輔助裝置的可行性與有效性，分別用傳統接地裝置與輔助接地裝置布設了兩條測線，兩條測線點距與有效電極數一致，用傳統接地裝置布設測線的地表為松散的第四系覆蓋層，用輔助接地裝置布設測線的地表為裸露基巖，兩條測線地形均為水平且所在位置相距不足0.5m，以保證兩條測線下方的地質情況基本一致。實驗采用了溫納、偶極、微分三種常規排列裝置進行數據采集，由于三種裝置的對比結果基本相同，本文就只例舉溫納裝置的成果對比圖(圖1)。

圖1 接地實驗測線溫納裝置成果對比圖

由圖1可以得出以下結論。①兩條測線電性剖面的高、低阻異常區域的形態大小和分布位置基本保持一致。證明了輔助接地裝置不會造成采集數據的畸變和錯誤。②在高密度電法勘探中，接地電阻過高會導致在反演剖面圖中視電阻率值偏低[9]，導致低阻異常程度被加強，而高阻異常程度被削弱。在兩條測線的0～70m段，采用傳統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線的20～40m段的低阻異常區域與45～70m段的高阻異常區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。③該裝置可多次重復使用，且布設采集裝置快速，相對于傳統的接地裝置能很大程度上縮短野外布設測線的時間，提高野外工作的效率。

總的來看，本次實驗驗證了輔助接地裝置的可行性與優越性。證明了該裝置可以投入用于現場高密度電法的勘察工作。

3 工作方法及技術要求

高密度電阻率法的工作原理與常規電法完全相同，可進行二維地電斷面測量，兼具剖面法和測深法的功能[2]。結合現場實際情況本次勘察共布設11條高密度電法測線，野外施工選擇重慶地質儀器廠生產的DUK-2A型高密度電法測量系統來完成野外原始數據采集工作，并根據不同裝置的實測效果[10-12]，采取溫納(α)、偶極(β)、微分(γ)三種裝置進行綜合勘察，且11條測線的數據采集均使用了輔助接地裝置輔助采集數據。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。數據處理包括：壞點剔除、濾波、網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

由于礦區長年爆破施工造成的裂隙發育以及礦區磁鐵礦在整個邊坡的不均勻分布且對圍巖侵染程度不一，礦區底部部分區域有地下水出露，這些情況都將對整個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，需要結合已有地質資料(如鉆孔資料，地表勘察資料等)作出綜合解釋，才能保證最終結論的準確性與可靠性。且由于現場地形及施工條件的限制，本次只對于測線所在位置的淺部進行了勘察。

本次勘察共布設高密度電法測線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對邊坡具有較大意義的3條測線的溫納反演剖面圖進行分析解釋，并綜合物探成果與鉆孔、槽探等相關地質資料推測出測線所在位置的淺部簡易地質剖面圖。

圖2為1號測線的溫納剖面反演成果圖。1號測線位于邊坡底部，測線點距3m，長度270m，有效電極數90。

從圖2可以看出，本條測線勘探深度為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，測線視電阻率橫向差異明顯，分布不均。測線前端48m處的有明顯低阻異常，視電阻率小于10Ω·m，但由于受現場開采施工影響，未能將測線前端延長以增大對異常體的勘探深度，但與原有地質資料和地表勘察綜合來看，推測為礦區內的Ⅰ號富水斷層，斷層傾向為NE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域推測為含水裂隙。測線130m處深部至測線末端淺部存在一處厚度約10m的高阻薄層，結合現場巖性出露情況推測該高阻層應為大理巖層，而測線160～240m處高阻層上部出現的薄層低阻異常應為角閃片巖軟弱夾層(ω6)的電性反映，淺部阻值相對略高的區域應為輝長巖體。圖3為1號測線的地質解釋剖面圖。

圖4為2號測線的溫納剖面反演成果圖。2號測線位于邊坡上部(海拔高程1598m)平臺上，測線總長為112m，點距1m，有效電極數112。

從圖4可以看出2號測線勘探深度約為16～18m，其電阻率變化范圍主要集中在50～104Ω·m。反演剖面大部分區域為視電阻率在100～400Ω·m之間的低阻帶，由于該測線在邊坡上部，富水性差且地表裸露的基巖含鐵量較高，因此推測為受磁鐵礦侵染的輝長巖。測線有兩處高阻異常區域，其中測線尾部淺表層的高阻異常推測為干燥的碎石堆，而反演剖面12m深度以下的高阻區域推測為大理巖，并根據電性層分界線劃出了輝長巖與大理巖的交界面(圖4中黑色曲線)。圖5為2號測線的地質解譯剖面圖。

圖6為3號測線的溫納剖面反演成果圖。3號測線位于采場底部西側，測線長342m，點距3m，有效電極數114。

從圖6可以看出測線勘探深度近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性，推測為礦區內的II號富水斷層，斷層傾向近NE，傾角近垂直約80～90°，破碎帶影響寬度近30m，為礦區內的最大規模斷層之一，對于邊坡穩定性有著極大的影響。近地表的低阻區域推測為含水裂隙。其他區域的視電阻率比較均勻一致，最高視電阻率低于1000Ω·m，推測為輝長巖。圖7為3號測線的地質解釋剖面圖。

此外，對其他8條測線也做了同樣的分析解釋，并通過與相關鉆孔等地質資料的相互驗證。共查明了礦區內7條隱伏斷層、1處軟弱層(ω6)、1處輝長巖與大理巖的巖性交界面的位置及其淺部的地質特征。7條斷層均具有一定規模、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，易發生滑坡。這兩類構造對邊坡的穩定性都有著十分重大的影響。