管波探測法在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

李建松

（華剛礦業(yè)股份有限公司，剛果民主共和國 科盧韋齊）

管波探測法是利用鉆孔中“管波”這種特殊的彈性波，來探測鉆孔附近一定范圍內(nèi)的溶蝕裂隙、溶洞、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的一種孔中物探方法。采用集成收發(fā)器探頭在孔液中激發(fā)產(chǎn)生管波，接收并記錄孔邊巖土及孔內(nèi)液體衰減反射后的振動波，來探測孔周一定范圍內(nèi)的巖溶、軟弱夾層及裂隙帶的發(fā)育分布情況，查明鉆孔周邊一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況、評價地層特征，用以指導(dǎo)基樁設(shè)計(jì)及其它土建施工[1]。其有效探測半徑可達(dá)2米左右。管波探測法具有可靠性高、精度高、異常明顯、分辨率高、施工周期短、解釋容易、儀器設(shè)備投資少、探測成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)彈性波理論和波動傳播空間的不同，將彈性波分為體波和界面波兩類。體波包括橫波（剪切波）和縱波（壓縮波）等，它們在無限空間或半空間中傳播。界面波包括瑞利波、斯通利波和勒夫波等，它們只在波阻抗界面附近傳播。當(dāng)兩種相互接觸的介質(zhì)分別為流體和固體時，流體的振動會產(chǎn)生沿界面?zhèn)鞑サ慕缑娌ǎQ為廣義的瑞利波。在充滿液體的孔內(nèi)及孔壁上，廣義瑞利波沿孔的軸向方向傳播，這被稱為管波。管波有兩種常見的類型：斯通利波和準(zhǔn)瑞利波（或稱偽瑞利波）。管波探測方法中使用的波動是斯通利波。管波具有波散現(xiàn)象，在橫波波速高于流體縱波波速的介質(zhì)（高速介質(zhì)）中，斯通利波有輕微的波散現(xiàn)象。在低頻端，斯通利波的相速度和群速度都接近孔內(nèi)流體的縱波波速的0.9倍。在高頻端，斯通利波的波速趨于圍巖中的橫波速度。準(zhǔn)瑞利波具有明顯的波散特性，當(dāng)它的頻率低于某一特定值時，準(zhǔn)瑞利波幾乎不存在，在這個頻率下，它的速度等于圍巖的橫波速度。在充滿液體的硬巖鉆孔中，最低頻率約為10kHz。因此，準(zhǔn)瑞利波具有低截特性。在高頻端，準(zhǔn)瑞利波的波速趨于圍巖中的剪切波速。圖1為斯通利波和準(zhǔn)瑞利波的頻散特性曲線圖。從圖中可見，當(dāng)頻率低于10kHz，準(zhǔn)瑞利波就不存在了。根據(jù)實(shí)測的管波數(shù)據(jù)，管波頻率在100Hz～5000Hz范圍內(nèi)，僅有斯通利波存在。

圖1 廣義瑞利波頻散特性

在斯通利波沿鉆孔軸線傳播過程中，能量衰減緩慢、頻率變化較小。經(jīng)過一定距離的傳播后，管波的能量仍然很強(qiáng)，管波的頻譜與波源的頻譜基本相同。圖2為實(shí)測的管波記錄，圖中可見，管波的孔底反射和巖面反射經(jīng)過近17ms的雙程旅行其能量和頻率基本沒有明顯變化，孔底及巖體層間反射明顯。

圖2 實(shí)測管波記錄

管波的傳播過程在波阻抗差異界面處產(chǎn)生反射，其反射界面通常為：孔徑發(fā)生變化處、液固分界面、孔底、孔壁巖土層波阻抗差異界面等。

管波探測法正是利用波阻抗差異界面的反射，來探測孔旁巖溶及軟弱夾層。存在管波反射的位置，必定存在波阻抗差異，波阻抗差異界面即為孔中、孔旁圍巖異常界面，通過分析反射管波的波幅特征，探測波阻抗差異界面，通過對界面的解釋，推斷孔旁溶洞或軟弱夾層的發(fā)育情況。

2 工程實(shí)例

下面是管波探測法在某礦山的地質(zhì)勘察應(yīng)用實(shí)例，如下圖3所示，管波探測數(shù)據(jù)能夠與鉆孔資料較好的吻合。

圖3 鉆孔資料與管波探測數(shù)據(jù)對比圖

根據(jù)管波探測數(shù)據(jù)70m～88m：白云質(zhì)泥巖，夾白云質(zhì)砂巖層，該段巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度大體上分布均勻，在79m附近，巖體完整程度發(fā)生變化，從測試波形圖上看，出現(xiàn)輕微界面反射；88m～90m：巖性以白云質(zhì)泥巖為主，混白云質(zhì)砂巖薄層。該段裂隙發(fā)育，巖體完整程度低，其上下界面均出現(xiàn)了清晰的反射波。隨著地下水淘蝕作用，該段落有進(jìn)一步發(fā)展為空洞的可能；90m～96m：白云質(zhì)泥巖，局部砂質(zhì)成分沉淀為薄層狀。該段巖體完整程度較好，但因泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)度不高，巖石堅(jiān)硬程度不高。從測試結(jié)果上看，反射波形規(guī)律性好，但清晰度稍低；96m～98m：該段為空洞，充填砂質(zhì)及泥質(zhì)碎屑，充填程度低。在洞體的上下部位，均出現(xiàn)了界面反射，其中下部界面處白云質(zhì)成分增多，巖石堅(jiān)硬程度降低，反射波較上部界面清晰度稍低；96m～101m：由白云質(zhì)砂巖變化為石英砂巖，由化學(xué)膠結(jié)變?yōu)楣栀|(zhì)膠結(jié)，巖石堅(jiān)硬程度及巖體完整程度提高，管波的反射波形清晰；101m～105m：空洞。在空洞下部充填有泥質(zhì)成分。該段反射波基本消失，僅下部有輕微反射跡象。空洞上下界面反射清晰；105m以下：石英砂巖。砂巖粒由硅質(zhì)成分膠結(jié)，巖石堅(jiān)硬程度及巖體完整程度較高，反射波波形清晰，規(guī)律性好。鉆孔DW-7-3僅在102m～103m揭露空洞，揭露范圍不及管波測試結(jié)果全面。

3 結(jié)束語

由于探測原理、解釋方法及勘探過程易受干擾等原因，管波探測數(shù)據(jù)的解釋結(jié)論與鉆孔資料可能存在一定差異。而鉆探法存在一定的局限性，探測范圍僅在鉆孔范圍內(nèi)的有限區(qū)域，探測結(jié)果與實(shí)際情況易產(chǎn)生偏差。針對此種情況，管波探測法有其獨(dú)到的優(yōu)勢，與鉆孔資料相互驗(yàn)證，可以取得更好的勘察效果。