環(huán)境保護(hù)理念下的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)研究

劉 垚，呂相偉

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 錦州 121000）

環(huán)境保護(hù)這一理念近年來(lái)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，它是生態(tài)文明建設(shè)的必然趨勢(shì)，同時(shí)也是促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。近年來(lái)，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加快，在不斷的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中也帶來(lái)了環(huán)境污染問題，水污染、空氣污染等問題日益嚴(yán)重，為了提高生活質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境，政府、國(guó)家大力提倡開展環(huán)境保護(hù)工作，并且將環(huán)境保護(hù)理念引入到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，尤其是采礦業(yè)。在礦產(chǎn)行業(yè)發(fā)展帶動(dòng)下，礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察工作和礦產(chǎn)開采工作正在全國(guó)大面積積極開展，由于礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察工作具有一定的危險(xiǎn)性，并且使用的勘察技術(shù)和勘察設(shè)備操作不夠規(guī)范，施工單位環(huán)境保護(hù)意識(shí)較差，導(dǎo)致在地質(zhì)勘察過程中會(huì)對(duì)礦山水文地質(zhì)造成一定的破壞，從而引發(fā)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害[1]。近年來(lái)，礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察過程中水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，比如涌水、坍塌等，帶來(lái)嚴(yán)重的社會(huì)損失和經(jīng)濟(jì)損失[2]。造成這一問題的主要原因在于目前現(xiàn)有的勘察技術(shù)在實(shí)際操作中對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)造成損害性較大，尤其是對(duì)地質(zhì)較復(fù)雜的礦山環(huán)境中，更是加大了水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率，因此傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察需求，為此提出環(huán)境保護(hù)理念下的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)研究。

1 環(huán)境保護(hù)理念下的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 確定礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)象

在確定礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)象時(shí)，要考慮到當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的大背景，以環(huán)境保護(hù)作為開展勘察工作的前提條件。為在最大程度上減小地質(zhì)勘察對(duì)礦山周圍環(huán)境造成的損害，應(yīng)當(dāng)對(duì)勘察過程中容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素進(jìn)行合理處置，水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要與礦山地下水壓、水位、水量等因素有關(guān)。將地下水壓不穩(wěn)區(qū)域與礦山水工環(huán)地質(zhì)作為共采式地質(zhì)勘察對(duì)象，對(duì)二者進(jìn)行統(tǒng)一勘察。

此次利用共采式地質(zhì)勘察手段確定礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)象，可以在勘察過程中對(duì)地下水位、水壓、水量合理控制。共采式地質(zhì)勘察的具體施工方案為：首先利用綠色勘察技術(shù)，將針對(duì)礦山地下水的鉆孔沿礦層走向進(jìn)行均勻布設(shè)，并在礦山頂板環(huán)狀裂縫位置上，進(jìn)行對(duì)其地質(zhì)的實(shí)地勘察。由于鉆孔的數(shù)量對(duì)于礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察結(jié)果有著直接的影響，因此假設(shè)礦山地形水量為12.48～24.88m3/t，則礦山礦層厚度應(yīng)當(dāng)超過5.5m。通過鉆孔對(duì)礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，確定各個(gè)區(qū)域水文地質(zhì)條件，在開展礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察工作時(shí)盡量避開地下水條件不穩(wěn)定區(qū)域，將其不列為礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)象。

1.2 礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察資料采集及野外勘察

在明確勘察對(duì)象后，還需要對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行收集，提取到的各項(xiàng)勘察資料進(jìn)行整合。充分了解礦山歷史勘察資料、勘察深度、勘察方法等信息。通過利用可視化技術(shù)，將歷史資料展現(xiàn)，并對(duì)重要內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)識(shí)，減少在勘察采集資料過程中浪費(fèi)的時(shí)間。在環(huán)境保護(hù)理念下開展礦山野外地質(zhì)勘察項(xiàng)目主要涉及到對(duì)礦山整體地形、地貌特征、巖層分布等方面。野外勘察的具體步驟為：首先，對(duì)礦山的地質(zhì)情況進(jìn)行分層式勘察，并將勘察記錄輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中；其次，在野外勘察時(shí)，也應(yīng)當(dāng)結(jié)合綠色勘察技術(shù)中優(yōu)化后的鉆探方式，對(duì)處在特殊地質(zhì)條件的地層利用鉆孔設(shè)備進(jìn)行勘察，并對(duì)鉆孔后得到的勘察結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一編錄；再次，對(duì)上述提取的野外數(shù)據(jù)信息進(jìn)行復(fù)位測(cè)試，按照礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察的實(shí)際要求，對(duì)復(fù)位測(cè)試參數(shù)設(shè)定，并將結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化處理，整理成一組完整的野外勘察信息；最后，完成靜力觸探試驗(yàn)，利用基礎(chǔ)勘察技術(shù)，將不同型號(hào)、規(guī)格的探頭按照均勻的速度對(duì)礦山的巖石進(jìn)行擠壓，根據(jù)探頭受到的不同阻力，確定不同礦山地層的地質(zhì)條件。

1.3 礦山水工環(huán)地質(zhì)三維空間探測(cè)

通常情況下礦山水工環(huán)地質(zhì)地層一般為粉質(zhì)土和碎石土為主，這兩種土質(zhì)的縱波波束Vp在1200-1500m/s內(nèi)，并且礦山水工環(huán)地質(zhì)基巖通常為頁(yè)巖，中風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在2400～3500m/s，微風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在3800～4500m/s，未風(fēng)化頁(yè)巖的縱波波束Vp在4800-5500m/s。此外礦山水工環(huán)地質(zhì)深部的巖體發(fā)育區(qū)縱波波束Vp在1200～1500m/s，水體的縱波波速在1000～1100 m/s，各個(gè)地質(zhì)之間有明顯的波束差異，因此根據(jù)礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察需求。完成礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察資料采集及野外勘察后，結(jié)合環(huán)境保護(hù)理念，為了盡量避免在地質(zhì)勘察中對(duì)礦山地質(zhì)造成破壞，本次采用跨孔彈性波CT技術(shù)對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)三維空間進(jìn)行探測(cè)，跨孔彈性波CT技術(shù)是一種無(wú)損探測(cè)技術(shù)，在操作中不會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成損壞，此次結(jié)合野外勘察資料，利用該技術(shù)探取礦山水工環(huán)地質(zhì)三維數(shù)據(jù)信息，其探測(cè)過程如下。

根據(jù)實(shí)際情況以及探測(cè)需求，本文采用型號(hào)為L(zhǎng)OKPS2S1型號(hào)跨孔彈性波CT掃描儀作為探測(cè)設(shè)備。首先利用HIS62地質(zhì)巖芯鉆機(jī)利用回轉(zhuǎn)方式對(duì)確定的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)象地表進(jìn)行鉆孔，為了更加精準(zhǔn)的獲取到地質(zhì)三維空間數(shù)據(jù)，鉆孔之間的間距要比較小，通常情況下根據(jù)實(shí)際情況而定，在5.5m～7.5m之間，鉆孔的孔徑大小控制在100mm～130mm之間，鉆孔的深度在35m～55m范圍內(nèi)，為了避免對(duì)地質(zhì)造成損壞，在鉆孔過程中需要進(jìn)行注水，利用水降低鉆孔產(chǎn)生的延誤和對(duì)地質(zhì)的摩擦。孔成之后將直徑為75mm的聚氯乙烯套管護(hù)壁放入孔內(nèi)，以供跨孔彈性波CT掃描儀工作使用。

鉆孔完成之后，選取兩個(gè)比較近的鉆孔作為彈性波CT發(fā)射鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀通過激發(fā)高頻彈性波，向探測(cè)地質(zhì)進(jìn)行掃描；然后選擇另一側(cè)的鉆孔作為彈性波CT接收鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀內(nèi)置傳感裝置，利用傳感裝置接收到地質(zhì)反射回來(lái)的彈性波信號(hào)。

1.4 礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)分析

跨孔彈性波CT掃描儀采集到的數(shù)據(jù)均是彈性波相關(guān)數(shù)據(jù)，若要通過對(duì)這些數(shù)據(jù)了解到礦山水工環(huán)地質(zhì)空間位置以及裂隙發(fā)育情況，需要對(duì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。首先將勘察區(qū)域離散成若干個(gè)規(guī)格的網(wǎng)格單元，將地質(zhì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)格單元中，形成網(wǎng)格化模型，用公式表示如下：

公式（1）中，ti為礦山水工環(huán)地質(zhì)離散區(qū)域網(wǎng)格化模型，即第i條彈性波射線的走時(shí)；dij為第i條彈性波射線穿過第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度；n為彈性波射線數(shù)量；m為礦山水工環(huán)地質(zhì)離散區(qū)域網(wǎng)格化模型的網(wǎng)格數(shù)量；v為彈性波的速度；(x,y)為彈性波射線的路徑。利用聯(lián)合迭代方法對(duì)上述公式進(jìn)行求解，可以得到每一個(gè)小方格內(nèi)的地質(zhì)彈性波慢度值，并分別取其倒數(shù)即可得到鉆孔間巖體分布情況，利用上述公式繪制出各個(gè)離散后礦山水工環(huán)地質(zhì)三維空間模型圖，將所有離散后的區(qū)域水工環(huán)地質(zhì)三維空間模型圖融合到一起，就形成了礦山水工環(huán)地質(zhì)三維空間分布圖。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某礦山為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦山面積為2642.26m2，礦山地質(zhì)土層為粉質(zhì)黏土、碎石土等，存在波速差異，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)該礦山水工環(huán)進(jìn)行地質(zhì)勘察，獲取到該礦山水工環(huán)地質(zhì)信息。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)該礦山進(jìn)行共采式地質(zhì)勘察，確定了25個(gè)勘察對(duì)象，8處地下水水壓、水位不穩(wěn)定區(qū)域，未列為勘察對(duì)象；通過對(duì)該礦山進(jìn)行野外鉆探勘察，獲取到562MB礦山地質(zhì)資料；根據(jù)該礦山實(shí)際情況，對(duì)確定的勘察對(duì)象區(qū)域中共布設(shè)了36條測(cè)線，開展跨孔彈性波CT掃描測(cè)量，每個(gè)測(cè)線各布置12個(gè)鉆孔，鉆孔孔深為750-1150m，每個(gè)鉆孔進(jìn)行至少三次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)選取三次測(cè)量數(shù)據(jù)平均值。跨孔彈性波CT掃描儀測(cè)量到的水工環(huán)地質(zhì)信息量為1564MB，利用KHU軟件對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行處理，并繪制了礦山水工環(huán)三維地質(zhì)模型。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取七處區(qū)域水工環(huán)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用PIH軟件分析到該五處地質(zhì)勘察結(jié)果的一致性系數(shù)，一致性系數(shù)表示勘察結(jié)果與實(shí)際值相似程度，兩個(gè)數(shù)值越接近則一致性系數(shù)值越大，該數(shù)值是檢驗(yàn)勘察技術(shù)精度的有效指標(biāo)，其取值范圍在0-1之間，實(shí)驗(yàn)將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種勘察技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種勘察技術(shù)一致性系數(shù)對(duì)比

從上表中可以看出，本文設(shè)計(jì)技術(shù)勘察結(jié)果的一致性系數(shù)值接近1，基本在0.9以上；而傳統(tǒng)技術(shù)勘察結(jié)果的一致性系數(shù)值較小，平均值為0.482，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文設(shè)計(jì)技術(shù)，因此實(shí)驗(yàn)證明了環(huán)境保護(hù)理念下的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)精度較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)環(huán)境保護(hù)理念下的礦山水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)進(jìn)行了研究，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上采用了無(wú)損測(cè)量技術(shù)和三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山水工環(huán)地質(zhì)無(wú)損勘察，降低了水工環(huán)地質(zhì)勘察工作對(duì)礦山地質(zhì)破壞，同時(shí)也降低了礦山水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生幾率，此次研究有助于綠色礦山建設(shè)，具有良好的社會(huì)意義。