物探在礦井巷道中的應用

林發養（福建省閩西地質大隊）

物探在礦井巷道中的應用

林發養（福建省閩西地質大隊）

礦井巷道的目的，是在于查明巷道所處位置的工程地質條件和水文地質條件以及巷道施工和運營對環境保護的影響。為規劃、設計、施工提供所需的勘察資料，并對存在的巖土工程問題、環境問題進行分析評價提出合理的設計方案和施工措施，從而使巷道工程經濟合理和安全可靠。在巷道勘察中物探方法作為輔助手段，根據前期物探結果有利于提高勘察工作效率及降低成本有著重要的作用。工程物探在巷道勘察中的應用十分廣泛，根據現場條件、物性差異和干擾情況，合理地選擇了綜合物探方法技術，為提高勘察精度，采取了有效措施和適當的數據處理方法，獲得了良好的地質效果，為巷道設計提供了科學依據。本文講述了綜合物探檢測軟弱圍巖的經驗和幾點認識，并討論了該勘察方法的應用。

綜合物探法；巷道勘察；工作原理

1 物探簡介

1.1 物探分類

凡是以各種巖土物理性質的差別為基礎，采用專門的儀器，觀測天然或人工的物理場變化，來判斷地下地質情況的方法，統稱為物探。物探有很多的類型，比如有電法勘探、地震勘探、電磁法勘探、重力勘探、聲波探測和磁力勘探與放射性勘探等。在隧道工程地質中，較常用的有電法勘探與地質雷達勘探等。

首先來看一下電法勘探，所謂電法勘探就是為了判斷地下地質情況，這個需要由儀器測定巖、土導電性的差異。電法勘探的效果是有好壞之分的，主要受地層間的導電性差異、所測地層的長度、寬度和厚度、相對的埋藏深度、地形的平坦和游散電流與工業交流電等干擾因素等。根據本次電法勘探的目的，我們要依據所測得的瞬變電磁的視電阻率變化規律，結合已知資料，從已知到未知，從簡單到復雜，進行綜合對比分析解釋。

瞬變電磁資料的處理和解釋工作是同時進行的，它們之間存在一種從實踐到認識的提升過程。資料解釋是建立在資料處理所得視電阻率斷面圖的基礎上。瞬變電磁資料的解釋主要依據單點數據（視電阻率——反演解釋）對含水層的富水情況進行解釋，當然這個過程也需要考慮整條測線的視電阻率斷面圖。這個過程可以根據鉆孔資料來確定確定目的層，繪制層位的電阻率平面圖，再結合定性圖件和資料來分析富水層的情況。

地震勘探是根據巖、土彈性性質的差異，通過人工激發的彈性波的傳播，來探測地下地質情況的一種物探方法。地震勘探直接利用巖石的固有性質（密度與彈性），較其它物探方法準確，且能探測很大深度。在工程地質勘探中主要用于：①探測覆蓋層的厚度、巖層的埋藏深度及厚度，斷層破碎帶的位置及產狀等；②研究巖石的彈性，測定巖石的彈性系數等。

地質雷達（電磁法勘探）是利用高頻電磁脈沖波的反射，探測地層構造和地下埋藏物體的電磁裝置，故又稱探地雷達，通過發射天線向地下輻射寬帶的脈沖波，在地下傳播中遇到不同介質的介電常數和導電率存在差異時，將在其分界面上發生反射，返回地表的電磁波被接收天線接收，根據接收的回波來判斷目標的存在，并計算其距離和位置，可用于空中，地面與井中探測，但主要用地面。

1.2 物探工作原理

1.2.1 淺層地震反射波法工作原理

所謂淺層地震反射波法就是指地震波在不同分界面上的反射原理，這個反射是有一定規律的，而淺層地震反射波法就是研究這個規律的。在這個過程中，可以運用人工震源激發出來的地震波，這種地震波在巖土中的傳播是有規律的，即遇到彈性不同的介質分界面時，這種情況下就會有波的反射產生，那么就可以用檢波器來接收其反波信號，然后再通過淺層地震儀接收反射地震波，這樣通過收集來的信息就可以進行時頻特征和振幅特征的分析，進而可以進一步尋找更好更有效的探測方法，如地球物理勘探方法。

人工激發產生的地震波在向地下介質中傳播時，是有規律可循的，可以參考波動理論，不同的巖土層具有不同的波阻抗差異，地震波經過時就會發生反射。應用專門的儀器記錄各種波的傳播時間和特征，經過數據處理后，便可獲得巖土層、斷裂帶等的相關信息，從而解決相應的工程地質問題。

1.2.2 高密度電法的工作原理

所謂高密度電法，其實是從屬于電法勘探中的電阻率法的，實質上就是用供電電極（A、B）向地下供直流（或超低頻流）電流，在這個時候也要測量電極 （M、N）間觀測電勢差（ΔUmn），同時計算出視電阻率（ρs）。關于視電阻率，其實并不是巖石的真電阻率，而是在電場中的地下電性不均勻體的綜合反映。視電阻率值是會變化的，這個是與地下不同導電性巖石（或礦體、不良地質體）的分布狀況、采用的裝置類型、裝置大小、裝置相對于電性不均勻體的位置以及地形等也是有關的。在確定的電斷面中，如果按照一定的規律來改變位置的話，這種情況下的視電阻率的變化也是有一定規律的。從實質上來說電阻率是為了解決地質問題的，這個過程是可以參考視電阻率的變化的。

1.2.3 音頻大地電場法工作原理

所謂音頻大地電場法勘查技術，其實就是要利用天然大地電場作（頻率在0.01～30kHz）作為場源的，進而才能逐點測量電場強度，當然這個過程是要參考在地面沿一定的觀測線的一定的點距的。那么我們可以根據平面波電磁場在介質中的傳播理論，得出這樣的關系式：

式中：ρɑ——電阻率，Ω·m；

Hy——磁場強度，A／m；

Ex——電場強度，V／m；

f——頻率，Hz。

從公式中我們可以發現，地下巖體電阻率的變化情況（ρɑ與Ex2成正比）可是可以通過觀測到的電場強度的變化反映出來的，并且可以進一步做出相應的地質上的推斷解釋，基本能夠達到了解地質災害、巖土工程問題的目的。

2 綜合物探方法選擇

2.1 選擇的思路

（1）可以采用淺層地震反射波法，這樣可以查明測區內水面下50m深度范圍內的地層分布（不良地質滑坡及障礙物）。

（2）可以采用淺層剖面法，運用這種方法可以查明測區內障礙物、淺部地層分布（包括不良地質滑坡等）。

（3）我們也可以運用側掃聲納及磁測來查找測區內廢棄的構筑物、樁基、沉船和炸彈等江底以及埋于江底沉積地層中的金屬物體。

（4）可以采用雙頻測深來進一步查明江底精細地形的變化情況。

以上的物探方法各有千秋各有利弊，這樣的情況下可以采用綜合物探方法工作，這樣可以取長補短，從而適應工程勘察的需要。

像一些以山地為主，并有黃土丘陵、山間盆地分布的復合型山地地貌，若海拔在1000m左右，相對高度多在100～500m之間。在漫長的地質歷程中受頻繁構造斷裂運動的影響，使得山沿斷層面形成約1000m的山峰，形成階梯狀的絕壁，其中河流又橫切山地，形成了陡峻的 “V”型峽谷，一般峽谷深約500m，寬約50～150m，將階梯狀的絕壁切斷，形成了絕壁林立、山勢陡峭、峰巒疊嶂、千山萬壑的地貌，具有斷塊山的特征。在山勢陡峭，鉆探設備難以到達指定位置，應采用多種物探手段對巷道場址進行了詳細的勘探，結合有限的鉆探資料，查明巷道場址的巖土工程問題。

2.2 選擇方法

各種物探技術都有其適用性和局限性，所以我們要具體問題具體分析，對于不同的勘探任務，首先需要的就是仔細第分析勘探的地形地貌以及地質條件，進而選擇適合的物探方法，然后結合已有的勘探資料來進行綜合解釋。其中特殊的是工程物探一般是可以連續測量的，值得注意的是對于查明埋深較大的目標體的分布情況時，要優先選擇鉆探等常規的“點探”的勘探方法。工程物探其實是一種間接的勘探手段，從根本上說是不能直接提供巖土力學參數的，所以就需要與鉆探、原位測試等勘探手段所取得的勘探成果來進行對比進而分析成果，建議相應的經驗關系，對于一些較難確定的異常目標體，還應采用鉆探手段進行確認。

工程勘察技術人員業務水平和綜合能力的關鍵是：①培養勘察技術人員的技術素質；②拓寬專業知識的廣度和深度；③積極參與工程實踐。

（1）合理地選擇與運用工程的物探技術與傳統的勘探技術相結合，這可以說是解決巷道勘察存在的技術問題的最佳途徑。但是呢每一項的技術都是有其自身的局限性的，要想有效地來解決某些復雜的巖土工程勘察中出現的技術問題，就必須來采用多種勘察手段進而才能互相補充與互相驗證。

（2）各種間接的勘察手段所獲取的資料是要與傳統的勘察方法如施工檢測、施工監測成果來進行對比和驗證的，這樣才能建立起相對應的經驗關系的，盡可能的來確保工程勘察質量。

需要明確的就是物探是作為工程建設勘查的輔助手段的，所以就必須具體情況具體分析，選擇合適的勘查方法的技術，采用的幾種綜合物探方法來組合，從而才能夠取得較好的勘查成果。

3 結論

總之，利用綜合物探資料解釋可以互相補充、印證，目前該解釋推斷成果經過礦井巷道施工驗證，證明資料準確、可靠，為礦井巷道設計提供了科學依據。

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P631

A

2095-2066（2016）22-0049-02

2016-7-10