淺談綜合物探技術在礦山水文地質勘探中的應用

楊 明

（閩武長城建設發展有限公司，福建 福州 350013）

自改革開放以來，采礦行業得到極大發展，但是在采礦量不斷增加的情況下，采礦深度也隨之加大，面對的地質條件愈發復雜，稍不注意可能引發嚴重地質災害，進而造成經濟損失和人員傷亡。因此，應借助綜合物探技術的多樣性和綜合性，提高勘探質量與效率，從而減少事故風險。因此，研究綜合物探技術的應用是必要的。

1 探討礦山水文地質勘探中應用綜合物探技術的意義及技術優勢

1.1 綜合物探技術價值意義

所謂綜合物探技術，主要是指將兩種及兩種以上的物探技術應用于勘探工作中的方式。不同物探技術具有其相應的優點和缺點，隨著礦山開采難度的上升，單一的物探技術發揮作用有限，往往無法切實滿足勘探需求。但是通過應用綜合物探技術開展礦山水文地質勘探工作，可以實現技術優勢的整合、劣勢的互補，從而有效抵御環境等不良影響因素，提高勘探結果的精準性，更快掌握勘探結果。而且，相較于單一物探技術，綜合物探技術探測周期較短，具有較強適應性，能夠應用于多種環境場景，所使用的技術設備都是現有資源，成本投入不大，一方面能夠實現地質情況的快速掌握，另一方面保證采礦效益[1]。

1.2 綜合物探技術優勢

自然災害直接影響著人們的生產生活，雖然就目前技術而言可以對自然災害進行預測，但是需要以準確的地質勘察結果為基礎，相較于單一的污染技術，綜合物探技術靈活組合多種勘察技術，可以很好滿足各種情況下的礦山水文地質勘探作業需要，并根據地形特征選擇監測方式和技術方案。目前，綜合物探技術在礦山水文地質勘探中的應用可以教對淺層地質環境參數進行準確探測，可以適應不同深度地形的探測環境，適應場景豐富，地下2m、3m至幾百米均可。除此之外，綜合物探技術還具有較強的適應能力，而且，利用其核心功能可以簡化作業流程，勘探周期有效縮短，提高效率的同時，無需投入較多設備使用成本。最后，其技術優勢還體現在數據參數精準度方面，在響應不同地形勘察效果的同時，還能夠幫助相關工作人員在短時間內掌握地質條件，增強技術核心效益的同時，實現勘察需求系統化。

2 研究礦山水文地質勘探中常用的物探技術

2.1 瞬變電磁法

所謂瞬變電磁法，主要是利用礦石和礦山地質之間得到磁場變化，經過分析掌握勘探目標分布等信息的物探技術。該勘探技術主要應用于礦山積水區域的勘探場景中，相關工作人員可以根據數據綜合分析獲得區域實際情況和參數，從而為后續一系列工作的開展奠定良好基礎。在實際使用瞬變電磁法開展勘探工作時，需要得到物理學理論的支持，即在工作開展過程中對目標范疇的參數進行實踐計算分析，以此掌握實際參數與常規參數之間的差異，以此判斷勘探結果的準確性。此外，瞬變電磁法還可以了解礦山區域內的煙圈效應，以此實現地質災害的準確掌握，降低地質災害發生幾率，為后續工作提供安全保證。

在該物探技術具體使用過程中，主要是使用專業脈沖設備對勘探目標的一次電磁場進行探測，當發出的脈沖方波后沿下降時，會立刻產生一次磁場，方向為回線法線方向。在一次磁場激勵下，若是地質體存在異常情況，則是在周圍產生渦流異常場，該異常場的大小取決于導電程度，渦流的消失取決于一次場，即一次場消失渦流消失，但在消失過程中存在逐漸衰退的過程。而這一變異過渡會產生二次次生磁場，最終由專業設備收集，相關工作人員通過對收集到的參數和曲線進行分析，可以獲得地質體的電性、具體分布情況等信息，經過開展視電阻率相關計算工作，能夠掌握礦山水文地質特點。

2.2 震波超前勘探技術

所謂震波超前勘探技術，主要是利用地震波的傳播對目標進行探測。在震波超前勘探技術具體應用過程中，利用專業設備發出的地震波使其在巖層內傳播，若是在其傳播過程中碰到地質異常體，會出現波阻抗Z差異，在此之后震波會出現折射和反射，以此獲得較為準確的勘探信息。發出地震波的主要設備時震波震源和三分量傳感器，設備所在位置對最終勘探結果具有直接影響，因此，在使用震波超前勘探技術時，相關工作人員應沿著井下巷道進行布設，從而保證技術實施質量。其中，在井下現場布設震波震源時，為保證勘探技術實施質量，應按照巷道側幫洞底平行腰線的位置進行排列，整個排列形式為直線狀，布置完畢后通過以此激發，可以形成反射波，該反射波可以穿過多種地質結構面，比如節里面、軟弱地質截面等，這時檢波器可以將反射波全數接收，在收集完畢后構成地震波擬斷面。通過使用觀測系統能夠掌握巷道地質結構，獲取其負視速度特征，最后對其進行提取處理，并實施超前偏移成像，實現對目標勘探區域異常地質信息的掌握。觀測系統具體如圖1所示：

圖1 震波超前勘探技術中的觀測系統

2.3 探地雷達勘探技術

所謂探地雷達勘探技術，主要是利用電磁波特性以及反射和散射獲取相關信息，通過定量判斷底層電磁特性，實現對勘探目標信息的準確掌握，該物探技術原理與瞬變電磁法理論基礎相同，也可稱為地質雷達。相較于其他物探技術，探地雷達勘探技術具有靈活、易操作的特點，且適用性較強，可以很好地處理不同地質情況下出現的問題，同時還能夠獲取相關信息。此外，由于探地雷達勘探技術具有較高水平的自動化程度，所以在實施該勘探技術，相關工作人員直接使用專業設備對地質環境參數分析即可，整個流程與過程都具有較高地完成效率，同時還滿足不同地質環境的勘探要求。目前，在科學技術高速發展下，市場上流通的探地雷達種類較多，但是基本構成大同小異，主要構件有電纜、電源、收發天線以及接收機等。由于其操作自動水平較高，且不需要投入較多時間成本，整體勘探質量和效率都較高，所以廣泛應用于礦山水文地質勘探中[2]。

3 分析礦山水文地質勘探中綜合物探技術的應用

3.1 科學設置測線

對于礦山水文地質勘探工作而言，由于礦山開采深度的增加，使得礦山水文地質勘探正逐漸向難度較高的地形地質方向拓展，因此，在此類勘探工作中應用綜合物探技術時，應根據工程實際情況進行測線的科學設置，為后續工作的開展效果提供保證。所謂測線應用，主要是為了獲取位置信息，便于相關工作人員結合現場情況選擇標準化的操作方法。在測線具體作用發揮過程中，還可以對目標區域內的地質情況進行監測，信息主要為土壤相關，比如穩定性和厚度等。在具體設置測線時，相關工作人員以折射波測點為基礎對相關設備的位置進行設定，并結合工程圖紙數據比照實際數據，明確實際被測范圍，確定最佳的測線設置位置，進而在掌握目標區域實際信息的同時，實現測線的科學設置，使其得以順利發揮作用。

3.2 震波超前勘探技術應用要點

在礦山水文地質勘探工作中應用震波超前勘探技術時，應對相關參數進行科學設計合理的設計，具體如下：

首先，做好數據的甄選工作。相關工作人員應全面分析獲得的道數信息，以礦山實際情況為前提優化處理操作流程，實現道數參數的合理應用。其次，設計選擇。雖然礦山開采和礦山水文地質勘探工作大同小異，但是由于地質環境等信息的不同，導致勘探流程存在差異，為此，相關工作人員應以水文參數、地質參數為基礎，對勘探工作步驟操作進行詳細、明確設計，保證設計精度。在具體設計選擇過程中，工作人員應先科學設計激震參數，為后期震波超前勘探技術的實施奠定良好基礎，同時控制落重深度和錘擊深度，分別控制在40m和23m左右即可，以此保證震波超前勘探技術的實施質量。之后，開展動態跟蹤觀察，基于具體地質環境比較各項參數信息，最終以土壤參數為基礎開展工作規劃。但是，在實際規劃中工作人員應該認識到土壤參數差異帶來的激發操作方式差異，針對具有較高松懈性的土壤參數，應使用低頻率激發參數方式；針對較為堅硬的土壤參數，則應根據具體硬度使用中頻率激發參數和高頻率激發參數，進而實現土壤實際情況與參數之間的對比分析，保證二者情況的可比性。設計墊板參數，實現技術設計要求與激震設計的有機結合，實現整體勘探效率和質量的提高。最后，優化設計間距。為保證間距參數的能夠多次使用，工作人員應以現場情況為基礎優化處理參數，并對不良因素進行及時挖掘與處理，并細化操作流程，避免出現數據誤差，以此保證技術實施與目標之間距離地科學合理性[3]。

3.3 瞬變電磁法的應用要點

在通過震波超前勘探技術獲得相關信息后，還應結合瞬變電磁法對具體分布情況、結構等進行精細化的勘測，在實際技術實施過程中，涉及兩套瞬變電磁儀，這是因為可以利用兩套設備儀器進行數據驗證工作，從而保證勘探數據的有效性和精準度。由于該勘探技術主要應用于水文地質方面，所以為了有效技術實施效果，與上述的震波超前勘探工作和地面探測構成互補，最好將探測位置選擇為巷道，同時結合其他物探技術對礦井積水情況進行探查。以某礦井為例，該礦區為長條山岳地形，允許開采煤層為K6、K9和K11，分別為三夾連煤層、正連煤層以及三層煤層，均全區可采，在該工程中，主要對其水文地質進行探測，以此保證工作人員的安全。

由于該區域存在較多廢棄和垮塌的巷道，所以應先做好清理工作之后使用偶極瞬變電磁法對礦井之下進行探測，在該勘探側，應將接收線圈和發射線圈安裝到礦井巷道上，安裝過程中將線圈的中心距離以及安裝深度分別控制在10m和100m，保證探測方式與側幫內側呈互相垂直的狀態，每個勘探點之間的距離控制在5m。針對該勘探項目實際情況，發射線圈頻率最好在25Hz，發射線圈規格為2m×2m，電流為18A，時間窗口和測量道數分別為20門和30門，積分時間80s。在實際探測過程中，基本勘探方向應以順煤層為主，從而實現對現場巷道和巖層信息的順利采集，為獲取電阻率曲線和具體的深度參數，在此過程中使用儀器進行一維層狀反演，最后根據數據繪制電阻率斷面圖。針對煤礦水平北巷道的探測工作，堅持同樣的探測方向，選擇平均俯角45°對三處巖層進行探測，以此獲得盲區深度。若是發現探測數據出現低阻數據反應，意味著可能存在采空積水區；若是存在局部差異或是明顯的低阻異常情況，可能不均勻垮塌現象。最后，勘探煤礦水平南巷道，起測點選擇與主見硐見煤電距離151m處，同樣按照上述流程進行探測，若是勘測到的數據呈現明顯高阻反應，則意味著采控積水下界在356m以上，且整體結構為上窄下寬，位置與采煤工作面較為相近。

3.4 探地雷達法的應用要點

在應用探地雷達技術進行礦山水文地質的勘探工作時，主要將地質雷達儀器與反射波剖析面法結合使用，并科學設置天線中心頻率，實現對目標區域雷達波剖面圖的準確獲得。仍以上述工程為例，主要對煤礦+431m水平北巷道參數進行采集，為此，天線中心頻率設置為100M即可，之后，通過分析不同探測深度下的數據和曲線，能夠掌握區域更為精細化的情況。當勘探深度在1.5m時，若是出現較為明顯的反射同相軸，則意味著該深度以下存在地層分層情況，若是在后續深度勘探中又出現反射同相軸，可以結合實地考察情況對穩定煤層位置進行分析與確定，若是在該深度以下出現不均勻的反射同相軸，則該區域存在采空區，甚至存在坍塌情況[4]。通過將多種物探技術綜合使用，可以將技術優勢進行靈活整合，從而使勘探結果更滿足相關工程的需要，提升各項工作的安全性和實效性。另外，還可以根據實際情況結合重力法，利用其較高的測量精度輔助綜合物探技術的實施。該勘探技術適用于不均勻表層或者小尺度地質密度異常等場景，但是在實際施工過程中，技術人員要綜合考慮天氣等因素，保證勘探質量。

4 結合案例探究綜合物探實施方法

以某礦井為例，該礦井范圍內有兩組含煤地質，煤層結構較為穩定，存在斷層裂隙，且分布范圍相對較高。地下水主要有裂隙水、巖溶水和孔隙水，為獲得更為準確地水文地質情況，主要使用瞬變電磁法和地震勘探法進行。

首先，地震勘探技術實施。采集野外資料、處理現有資源以及解釋室內資料是該技術實施的主要流程，其中，可以使用人工激發地震波的方式，利用震波的折射與反射情況綜合分析目標區域內井田地質信息，尤其是要注重震源特性和檢波器位置等方面的考量，以此保證水文地質勘探結果的詳實性。由于勘探區域主要有砂質泥巖和砂巖構成，與煤層性質的差異導致反射波存在不同，所以，在實施地震勘探作業時，還要結合追蹤對比技術作業，分析反射波的相位和強度等，從而準確判別斷層特征。在實際施工過程中，要結合礦區特征，進行5條主測線和6條聯絡測線的地震勘測線的布置，保證其垂直關系，并將測線間距控制在200m左右。使用60Hz檢波器以兩串兩并的方式進行布置，道間距為5m，炮間距為10m，采用中間不對稱的方式激發信號，利用可控震源激發和浸泡震源激發兩種方式激發信號，從而獲得更為準確、有效的勘探數據。若是最終的礦井主采煤層的反射波具有良好連續性，但某樁號區域存在零散波組，可以推斷該波組為陷落柱區域；若是存在波組錯動扭曲現象，那么該區域為斷層構造。

其次，瞬變電磁勘探實施。如上所述，瞬變電磁法也是時間域電磁法，是通過通入脈沖電流的方式充當場源，進而以激勵探測目標感生二次電流，通過對其進行探測，能夠掌握探測目標相關信息。由于今天內部構造與周圍介質存在電阻率方面的差異，瞬變電磁勘探技術具有較強穿透性，且響應簡單、占用空間較小，可以同時完成剖面測量與測深作業。一般情況下，相較于普通巖層的電阻率，煤系電阻率更高，而具有水斷層的地質結構的電阻率偏低。因此，在實際施工過程中，利用不同介質電阻率的差異，進行5條主測線和6條加密線的設置，可以將部分勘測線與前期地震勘測作業中的勘測線重合。同時，在具體施工作業開展前，相關技術人員要做好設備儀器的質量檢測工作，保證其準確性。在獲得勘探結果后，相關技術人員應對電阻率斷面進行分析，由于該礦井位于丘陵地帶，所以其等值線分布規律為“中——低——中——低”，在斷層的影響下，橫向上均勻性會受到影響。若是存在電阻率異常問題，可以結合地震勘測結果判斷其為陷落柱構造，若是出現等值線扭曲變形的情況，甚至伴隨低阻異常，那么該區域為斷層富水區。

最后，勘探結果。由上述勘探結果來看，目標區域出現了陷落柱和富水區域，其中，該區域分布承壓含水層，不僅具有較大水量，且分布范圍也較為廣泛。而且，在斷層教會區域，其水量更大，尤其是巖溶水，外加該區域裂隙發育，上下含水層出現導通現象。與此同時，勘探區域內存在中等富水區域，主要在斷層西部和北部，水源為巖溶水。結合礦井現有的鉆探數據，發展鉆孔勘探結果與綜合物探結果并不存在差異，這意味著綜合物探技術是合理且可行的。由此可見，在礦山水文地質勘探過程中，綜合物探技術的應用具有較強綜合意義，在確定已知信息點的基礎上，組合優化物探方法，可以有效提高物探結果準確性和勘探效率。

5 結論

綜上所述，綜合物探技術是當前礦山水文地質勘探工作中的重要基礎，能夠實現兩種及兩種以上技術優勢的整合。因此，在使用綜合物探技術過程中，為保證技術實施效果，應深入研究并掌握單一物探技術，從而做到技術組合的靈活性和實用性，保證相關工作安全性，實現工程效益最大化。