在礦山采區(qū)地質(zhì)勘查中的物探技術(shù)研究

劉代虎

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000）

近年來，各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害日益頻繁，且地質(zhì)資源開發(fā)效率降低，為提高礦產(chǎn)資源利用率，維護(hù)礦區(qū)地質(zhì)安全，我國對地質(zhì)勘查工作給予高度重視，并加大資金與人力投入，使物探技術(shù)在地質(zhì)勘查中得到普及。在實(shí)際勘查中，從業(yè)者應(yīng)根據(jù)地質(zhì)工程實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)目辈榧夹g(shù)，如激光掃描、電法物探、電磁探測等等，由此提高勘查效果，更好的了解地球內(nèi)部構(gòu)造，為資源與環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 物探技術(shù)的勘查原理

地勘技術(shù)的作用在于防御和治理地質(zhì)災(zāi)害，針對地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的地質(zhì)架構(gòu)、地形特點(diǎn)、災(zāi)害形式和嚴(yán)重度綜合分析，為后期災(zāi)害防治爭取時間。在技術(shù)應(yīng)用中經(jīng)常用到遙感、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物探與鉆探科技等。其中，物探技術(shù)具有準(zhǔn)確度高、實(shí)用性強(qiáng)、迅速快捷等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于礦山地質(zhì)勘探。通過該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可對密實(shí)性較強(qiáng)的地質(zhì)類型進(jìn)行調(diào)查，為從業(yè)者提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持，特別是開采區(qū)、滑坡區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)的勘查方面，效果更加顯著。該項(xiàng)技術(shù)的基本原理可分為兩種，具體如下。一種是淺層地震映像原理，主要依靠人工礦震波在礦層、土層與其他介質(zhì)中傳遞，當(dāng)人工礦震源形成的礦波處于介質(zhì)中床底，因礦層密度有所區(qū)別，對波的傳遞速度產(chǎn)生影響，待波傳遞到礦層分界處時，便會產(chǎn)生反射與折射，此時物探人員便可利用專業(yè)設(shè)備分析礦震波的形狀、時間等變換規(guī)律，由此知曉礦層位置、特性與整體結(jié)構(gòu)。該原理主要適用于不同監(jiān)測點(diǎn)波形記錄，可在相同距離下收發(fā)信號，結(jié)合抗震波時間變換規(guī)律發(fā)覺地質(zhì)層中的異常物；另一種為高密度電阻率原理，屬于直流電阻法，通過應(yīng)用可將三維可視電阻率斷面展現(xiàn)出來。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，物探人員可將相應(yīng)材料反演處理，并與多排列電阻率融合，以地質(zhì)層導(dǎo)電差異為依據(jù)，利用一次性電極排布的方式獲取橫縱斷面架構(gòu)的特征數(shù)據(jù)[1]。

2 物探技術(shù)在礦產(chǎn)勘查中常用的勘查技術(shù)

2.1 電法物探技術(shù)

該技術(shù)采用不同類型的電極設(shè)備，從橫縱兩個方向探究物體的電性區(qū)別。當(dāng)前，該技術(shù)多選用高密度的測量系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)勘測，尤其是在地質(zhì)坍塌、滑坡、水滲透等方面效果十分理想，不但可檢測地質(zhì)電性區(qū)別，將周圍問題介質(zhì)發(fā)掘出來，還可依靠斷裂破碎礦化產(chǎn)生的低阻異常變化，將電阻率變化趨勢以曲線圖的形式描繪出來。在該技術(shù)應(yīng)用中，如若技術(shù)人員利用網(wǎng)絡(luò)并行電法進(jìn)行地質(zhì)問題勘測，首先要結(jié)合地質(zhì)介質(zhì)電性變換情況進(jìn)行分層，再結(jié)合測線曲線圖進(jìn)一步分析礦層情況。在此期間，主要依照電阻率范疇進(jìn)行層位區(qū)分，將數(shù)值小于208m的范圍界定為淺部松散區(qū)，并對礦層位置細(xì)致分化，使電阻率在20*? m～40*? m之間的定義為基巖風(fēng)化段，對于電阻率超過40*? m的定義為相對完整礦層。根據(jù)上述區(qū)分方式，在不同斷面圖中展現(xiàn)出來，針對電阻率超過50*? m的可看成是礦層對電性的反饋，對于不超過50*?m的可看成微礦體發(fā)育期間的電性反映，然后進(jìn)行二次鉆孔檢驗(yàn)，使地質(zhì)勘查更加準(zhǔn)確可靠[2]。

2.2 電磁技術(shù)

在礦物開采中，電磁技術(shù)的應(yīng)用收效顯著。近年來，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)電磁技術(shù)可利用地下各類礦石導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性不同，采用精密儀器進(jìn)行電磁探測，由此得知礦物質(zhì)類型，為開采工作提供科學(xué)準(zhǔn)確的指導(dǎo)依據(jù)。基本原理是利用電磁感應(yīng)，根據(jù)儀器所得的感應(yīng)數(shù)據(jù)探測地下產(chǎn)物的構(gòu)成與類型，對地下物質(zhì)的損害較小，可準(zhǔn)確判斷地質(zhì)資源類型與規(guī)模，為地質(zhì)探測提供科學(xué)指導(dǎo)。

2.3 電測技術(shù)

與其他物探技術(shù)相比，電測技術(shù)的問題解決能力較強(qiáng)，應(yīng)用頻率較高，通常根據(jù)某巖石或者礦物質(zhì)參數(shù)進(jìn)行勘查。在礦產(chǎn)勘查方面與電磁法相似，還可探尋金屬/非金屬、地下水等能量物質(zhì)，應(yīng)用范圍相對更廣。主要用于金屬礦防治水工作，對金屬礦與周圍水文環(huán)境進(jìn)行探測，促進(jìn)金屬礦能源開發(fā)。當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們對金屬能源的需求日益增加，相關(guān)企業(yè)的金屬礦產(chǎn)開采力度加快，但在開采中常常發(fā)生安全事故，主要因水害所致，而電測技術(shù)的應(yīng)用便可妥善解決上述問題。該方法中的瞬變電磁法可對富水環(huán)境準(zhǔn)確探測，更加精準(zhǔn)的探測出采空區(qū)、陷落柱與構(gòu)造中的含水量，全面提高開采速率與安全性。

2.4 三維激光掃描技術(shù)

與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，該技術(shù)的測量局限性較小，具有精度高、無接觸、速度快等優(yōu)勢。可通過高速激光掃描的方式進(jìn)行測量，通過點(diǎn)云形式采取物體或者地形表面的陣列圖像數(shù)據(jù)，快速全面的獲取空間點(diǎn)位信息，準(zhǔn)確的探知靜態(tài)物體的三維模型，為后續(xù)模型分析與數(shù)據(jù)處理提供便利。目前，該技術(shù)在公路、薩巴、測繪工程、金屬礦產(chǎn)勘探等方面廣泛應(yīng)用，并取得理想的應(yīng)用效果。

3 礦產(chǎn)勘查中物探技術(shù)的應(yīng)用案例

3.1 基本概況

金銅礦區(qū)位于河南省鄭州市，總體構(gòu)造為東西方向，向東側(cè)傾斜。斷層發(fā)育以南北向?yàn)橹鳌８鶕?jù)北部巖層勘查，因沉積基底變化與后續(xù)改造，導(dǎo)致厚度變化增加，在實(shí)際開采中已被驗(yàn)證。在地質(zhì)情況方面，構(gòu)造碎裂蝕變巖結(jié)構(gòu)，呈網(wǎng)狀延展。含水層厚度較大，且?guī)в辛芽p，在區(qū)域內(nèi)埋藏較深，水壓較高，富有破壞性，為礦井安全構(gòu)成較大威脅。在地質(zhì)探測方面，主要任務(wù)如下：

（1）控制區(qū)內(nèi)礦石底板形態(tài)變化。

（2）控制區(qū)礦層落差超過5m 的斷層，斷層平面擺動范圍不超過10m。

（3）探查區(qū)域礦石頂板大占砂巖富水性。

（4）探測區(qū)內(nèi)帶有富水特征，確定富水區(qū)域，并綜合分析與評價。

3.2 物探技術(shù)選擇

物探主要根據(jù)巖石物理特點(diǎn)不同，采用相應(yīng)的精密儀器進(jìn)行測探，獲得地質(zhì)體對地下場所產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。根據(jù)該礦區(qū)物理場變化規(guī)律，借鑒相關(guān)地質(zhì)資料，對地下特定深度地質(zhì)體分布規(guī)律進(jìn)行探究，主要選擇三維掃描探測技術(shù)與瞬變電磁勘探兩種技術(shù)，使含金銅地層分布范圍、被掩蓋位置、地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行確定。

3.2.1 三維掃描探測技術(shù)

該技術(shù)應(yīng)用中，將各個策展的三維坐標(biāo)輸入激光掃描儀內(nèi)。在三維掃描時，先架設(shè)HDS8800，營造良好的G1 測站觀測條件，以G3 測站為后視。掃描精度設(shè)置為高，完成G1 的掃描測繪。因作業(yè)面較小，1 站掃描便可覆蓋全部對象，但為了掃描結(jié)果更加精確，可對G2 與G3 進(jìn)行高精度掃描，由此減少誤差。在三維掃描測量前，在待測點(diǎn)周圍設(shè)置3 個GPS 點(diǎn)，并根據(jù)4 等水準(zhǔn)接測，使3 個GPS 控制點(diǎn)擁有三維坐標(biāo)。本工程因測量距離較遠(yuǎn)，常規(guī)掃描儀無法滿足要求，需采用HDS8800 型激光掃描儀，對2000m 內(nèi)的范圍進(jìn)行測量，巖石表面掃描測程可達(dá)1400m，重復(fù)掃描精度為8mm[3]。

3.2.2 瞬變電磁勘測技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是借助接地線源依靠脈沖電流的方式，鼓勵探測目的物感產(chǎn)生二次電流，在脈沖間隙對二次場與時間的關(guān)系進(jìn)行測定。對于不同巖層來說，電阻率也不盡相同，通過電法勘測是得出不同位置、深度的差異，由此探尋出目標(biāo)體。該技術(shù)應(yīng)用不受高阻的限制，隨著時間的推移，電磁場擴(kuò)散范圍更廣，低阻散播速度減緩，高阻散播加速。因其不受地形影響，且對低阻響應(yīng)較為敏感，適用于采空積水區(qū)、巖層頂/底板富水區(qū)的探測，應(yīng)用效果十分顯著。

通過對上述兩種技術(shù)的綜合分析，前一種可解決1 和2 兩項(xiàng)地質(zhì)問題，后一種可解決3 和4 兩項(xiàng)問題。因此，在實(shí)際操作中將二者結(jié)合起來，依靠綜合物探技術(shù)滿足勘探任務(wù)需求。

3.3 勘探成果

3.3.1 三維掃描探測結(jié)果

該項(xiàng)技術(shù)采用美國生產(chǎn)的HDS8800 型激光掃描儀，為使原始數(shù)據(jù)更加優(yōu)質(zhì)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦翁匦裕捎貌煌愋偷臄?shù)字檢波器接收信號，并對接收效果進(jìn)行對比分析。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中，地面施工范圍與設(shè)計(jì)范圍相比較大，且朝著外側(cè)擴(kuò)展，一方面是由目的層埋深導(dǎo)致施工范圍擴(kuò)大，另一方面是受觀測系統(tǒng)覆蓋面積影響。當(dāng)目的層越深、傾角越大時，擴(kuò)展范圍便會越大。假設(shè)目的層埋藏深度為H，傾角用?表示，受上述兩個因素影響使施工擴(kuò)大，寬度用L 表示，計(jì)算公式為：

式中，H 代表的是目的層埋深；?代表地層傾角；L 代表施工擴(kuò)大寬度。該礦區(qū)中目的層埋深范圍在200—600m 之間，地層北側(cè)傾角范圍在10—14°之間，南側(cè)角度為60°。通過理實(shí)結(jié)合的方式，綜合分析各項(xiàng)因素對傾角的影響，朝著淺部內(nèi)移，為確保控制邊界不朝著內(nèi)推。根據(jù)觀測系統(tǒng)與覆蓋次數(shù)間的關(guān)系，最終施工擴(kuò)大范圍為：東側(cè)外推95m，西側(cè)外推95m，深度炮點(diǎn)由北側(cè)外推320m，最終覆蓋面積為1.95km2，共包括2235 個物理點(diǎn)[4]。

3.3.2 瞬變電磁勘測結(jié)果

該項(xiàng)技術(shù)采用PROTEM67D 瞬變勘查系統(tǒng)，結(jié)合勘探成果在區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)瞬變電磁勘探線，測線以南北走向?yàn)橹鳎幪枮?62—2654，測網(wǎng)規(guī)格為40×40，將測點(diǎn)在全區(qū)范圍內(nèi)均勻設(shè)置。發(fā)射頻率為2.5Hz，線框規(guī)格為600m×600m，電流值為16A。結(jié)合測區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜程度與溝谷發(fā)育情況，在對資料正式處理之前，根據(jù)測量高程進(jìn)行修正。依照三維掃描內(nèi)的巖層標(biāo)高值，對底板中15m 對應(yīng)的砂巖層位以及底板下25m 對應(yīng)的奧陶系中統(tǒng)巖層位電阻率分布情況進(jìn)行分析，由此測定視電阻率中的低阻異常區(qū)域。通過瞬變技術(shù)的應(yīng)用，使采取面積1.95km2 得到有效控制，使巖層中底板富水異常區(qū)域得以確定，再與三維激光探測技術(shù)相結(jié)合，對12 條斷層的導(dǎo)水、含水情況進(jìn)行綜合分析，如圖1 所示。

圖1 灰?guī)r巖溶縫隙富水異常分布圖

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)實(shí)踐結(jié)果表明，綜合物探技術(shù)可使金屬礦采區(qū)勘探取得事半功倍的效果。與其他勘探技術(shù)相比，投入成本較低、速度較快且效果良好，適用于地質(zhì)勘查的多項(xiàng)環(huán)節(jié)。通過三維激光探測技術(shù)應(yīng)用，可掌握巖層厚度、地質(zhì)構(gòu)造與金屬礦分布等信息。在此基礎(chǔ)上引入電法探勘，利用瞬變電磁勘探技術(shù)掌握底板含水層富水、導(dǎo)水情況，二者的綜合利用有助于金屬礦產(chǎn)建設(shè)開發(fā)、地下水防治、采區(qū)合理布設(shè)等工作開展，對于資源回收利用與安全生產(chǎn)具有重要意義。