基于高密度電阻率法的露天礦山滑坡體探測應用研究

楊 勇

（鞍鋼集團礦業(yè)弓長嶺有限公司露采分公司，遼寧 遼陽 111007）

滑坡地質災害是指由于受到自然地質作用或人類活動因素的影響，造成地質環(huán)境的惡化，使人類的生命財產安全受到嚴重威脅，正常生產、生活和社會經濟造成嚴重損失的變形破壞，乃至整體的移動[1]。其中的山體滑坡地質災害是最為常見的地質災害之一，在我國的山區(qū)經常發(fā)生。山體滑坡是指山體斜坡某一部分巖土體在重力或巖土體自身重力及地下水的動靜壓力的作用下，沿著一定的軟弱結構面或結構帶產生剪切位移而整體向斜坡下方移動的現象[2]。一般來說，滑坡體造成的地質災害危害大，歷史上造成多起嚴重的人員傷亡事故，如2019年3月15日18時05分，山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)發(fā)生山體滑坡，造成20人死亡、13人失蹤、1棟衛(wèi)生院住院樓、1座小型洗浴中心和配套建筑物垮塌，造成直接經濟損失700多萬元，屬于自然成因的災情為大型的滑坡地質災害。2015年11月，在緬甸東北部的克欽族自治邦內一處玉石場發(fā)生了大規(guī)模的山體滑坡，造成了至少113人遇難，屬于自然原因疊加人為原因的滑坡地質災害。滑坡地質災害多為自然原因導致，但隨著近些年生產技術水平的不斷提高，礦產資源開發(fā)的力度不斷加大，大量露天金屬礦山進入深凹露天開采階段，在其周邊形成大量人為原因誘發(fā)的潛在滑坡體，威脅礦山安全生產。因此，對這些潛在滑坡體進行有效探測和治理，避免其誘發(fā)次生地質災害，具有非常重要的理論研究和現實實踐意義。基于此，如何解決露天金屬礦山滑坡體的探測技術難題，查明滑坡體的滑動位置、滑坡面埋深和空間分布發(fā)育情況迫在眉睫。

對于露天礦山滑坡體的探測技術難題，地球物理方法以其在常見滑坡體地質災害探測和防治方面的經濟快速高效而被采用，尤其是高密度電阻率法設備出現后廣泛應用[3，4]。與傳統(tǒng)的直流電阻率法相對比，高密度電阻率法也是以地下一定深度的介質電阻率差異為理論基礎，通過觀測和研究人工電場的變化和分布規(guī)律來探測地下一定深度空間內物質組成和地質構造分布特征，其探測結果以反演的二維視電阻率地電斷面顯示，直觀性強，準確度高，又被稱作地質CT剖面。高密度電阻率法相比于單一的地質鉆探方法，其成本更低、效率更高、獲取信息更豐富，在國內外得到了廣泛的應用研究，在地質災害探測中發(fā)揮著越來越重要的作用。綜上可知，高密度電阻率法可以作為露天礦山滑坡體探測的首選技術方法開展應用研究，以查明露天礦山滑坡體的結構和組成，進行有效防治，保障露天礦山可持續(xù)安全高效生產。

1 高密度電阻率法基本原理

在地球物理勘探方法中，電法是一種重要的地球物理探測方法，其中的電阻率法是以地殼中巖礦石的導電性差異為基礎，通過觀測與研究人工建立的地中穩(wěn)定直流或者脈動電場， 系統(tǒng)布設測量電極，并按照某種電極距的測量裝置形式沿測線逐點采集數據，以系統(tǒng)研究地面以下一深度空間范圍內巖礦石沿水平方向的電阻率值的變化，從而達到查明礦產資源和研究有關工程、環(huán)境地質問題的一種直流電阻率勘探技術方法，具體可以劃分為電阻率測深法和電阻率剖面法兩大類。

高密度電阻率法是一種陣列式的地球物理勘探方法，是傳統(tǒng)直流電阻率法中的電測深法和點剖面的綜合應用，其測量的電阻率剖面既可以反映測點下方一定深度區(qū)間內不同電性的巖性層隨深度的分布變化情況，也可以反映一定深度區(qū)間水平方向上地電斷面的特征，解決了常規(guī)直流電阻率法測點數據不足、解譯依據單一的薄弱環(huán)節(jié)。高密度電阻率法具體工作時，可以一次性將多個（幾十個甚至幾百個）測量電極布設完成，后通過程控式的多路電極轉換器選擇不同的電極排列組合測量方式和不同的電極間距離來快速高效的地電數據。當不同測量電極間排列間距為L時，測量電極距C=nL，依次可以取n=1,2,3,4,5…(其中C為測量電極距，L為最小電極距，n為隔離系數)，每個極距按固定的數據測量裝置形式逐漸從左向右移動來完成數據采集工作，數據點則從下到上，從左到右逐漸完成整個地電剖面的數據采集工作，最終完成地下一定深度區(qū)間內的縱橫二維勘探過程。

2 高密度電阻率法滑坡體探測技術

2.1 高密度電阻率法探測儀器和裝置

在露天礦山滑坡體的高密度電阻率法探測應用研究中，采用的探測設備為重慶地質儀器廠研制的DUK-2A型集中式高密度電阻率法測量系統(tǒng)，主要由測量主機、電極轉換器、線纜、測量電極和電源等組成，其測量電壓范圍為±4000mV，測量電壓分辨率0.01mV，測量電流分辨率0.01mA，自然電位補償范圍±1000mV。該電阻率法測量系統(tǒng)觀測精度高，且采集數據質量可靠，可以獲得地下一定深度區(qū)間內豐富的地質信息。

上述高密度電阻率法測量系統(tǒng)配備了多種測量裝置模式，具體包括溫納、施貝1、施貝2、偶極-偶極、聯合剖面模式、二極電阻率成像、三極滾動連續(xù)測深和單邊三極滾動連續(xù)測深等14種的基本高密度測量工作裝置模式，可以開展多種的地球物理探測工作。而基于對滑坡體的自身結構認識和礦山環(huán)境特點，特別是礦山地質條件和人文條件均比較復雜，干擾因素相對比較多，所以依據礦山多年的地球物理探測研究成果，優(yōu)先選用穩(wěn)定的溫納裝置開展數據采集工作，這也屬于典型的對稱四極測量裝置，該測量裝置由兩個供電電極（布設電極A和B充當）和兩個測量電極（布設電極M和N）組成，通過不斷變換供電電極和測量電極間的距離，以達到測量不同深度電性分布特征[5]。

2.2 高密度電阻率法數據采集、處理和解譯

在露天礦山滑坡體探測應用研究中，高密度電阻率法的測線主要沿滑坡體主體走向垂直布設，并根據滑坡體的規(guī)模和可布設測線的空間大小，合理設計布設測線的長度，采用多測量電極一次布設，計算機控制多測量電極滾動測量，實時采集滑坡體及其下方一定深度的地電數據。在數據采集過程中，為了保證數據質量、探測深度和目標體分辨率，多采用2m～4m間距布設測量電極，供電電壓在300V～400V，以保證每個數據采樣點的供電電壓和電流均大于10mV和10mA，以達到高質量的數據采集效果。與此同時，需要根據地形的變化，利用高精度的手持GPS系統(tǒng)采集每個測量電極點的空間坐標，尤其是高程值，用于后期高密度電阻率法數據的地形校正處理，以便真實的再現測區(qū)的地電成果。

對于采用高密度電阻率法設備采集的數據，用設備配套的專門數據傳輸軟件導入專門的計算機中進行相關的數據轉換和數據預處理，最大程度的消除各種干擾因素導致的數據畸變問題，特別是測量過程中局部電壓或電流過低導致的測量異常點電阻率數據。數據預處理后，采用設備配套的軟件進行基于最小二乘法或佐迪反演方法為基礎的反演算法，開展露天礦山高密度電阻率法測量數據的反演處理，多次反演計算處理，并對比計算的反演成果，將其繪制成對應測線的電阻率剖面圖。

獲得的滑坡體電阻率剖面成果圖，結合研究已有地質數據和現場踏勘成果，特別是滑坡體的地表出露結構面地質特征，進行系統(tǒng)的地質-地球物理解譯研究，并對解譯的關鍵點進行鉆探驗證，收集整理地質鉆探成果。要依據地質鉆探取得的成果，不斷修正、完善和提高地質-地球物理解譯成果的準確性。同時，依據驗證成果，對關鍵地段做補充探測工作。

3 滑坡體探測區(qū)地質-地球物理特征和概況

文中研究的滑坡體探測區(qū)位于國內知名的金屬礦產資源產區(qū)，分布有數百個大中小金屬礦床，且該資源產區(qū)產出知名的BIF型金屬礦產，同時也是個開采歷史悠久的金屬礦產資源區(qū)。該區(qū)位于華北克拉通東部，出露的地層主要有太古界鞍山群、元古界遼河群和第四紀覆蓋層，其中的太古界鞍山群是區(qū)內金屬礦產資源的主要賦存地層，具體地層為鞍山群茨溝組。茨溝組內主要巖性為斜長角閃巖、條帶狀磁鐵石英巖、黑云變粒巖、角閃片巖和淺粒巖等變質巖類，其原巖主要為基性-中酸性沉積巖、鐵硅質巖和陸源碎屑巖等，地層出露厚度在1400m至2340m之間，是本區(qū)主要的賦礦地層。區(qū)內構造發(fā)育，NE向和NW向構造聯合控制區(qū)內金屬礦體分布。此外，在研究區(qū)內發(fā)現有不同時代的侵入巖和混合巖化作用形成的混合花崗巖。本文進行的高密度電阻率法探測區(qū)內，位于露天金屬礦山采場內的巖礦石電阻率相對較高，電阻率達到數千歐姆.米，而采場周邊的巖礦石由于第四紀松散覆蓋層的影響，易于富水而呈現明顯的低電阻率特征，電阻率數百歐姆.米，甚至幾十歐姆.米。

對于該區(qū)的滑坡體空間位置，其主要位于露天采場的西北部，靠近西北擴幫區(qū)。該滑坡體的形成，主要源于露天礦山多年的持續(xù)開采，特別是露天礦山逐漸由東向西、由淺向深的逐步擴幫開采，引起露天采場西北幫高處的第四紀覆蓋層及其滑動構造面上的部分基巖層在局部卸荷改變區(qū)內巖礦體應力場的作用下，坡積物和部分巖石逐漸脫離基巖面滑動，經年累月形成大面積的滑坡體，其長度和寬度均在數百米以上，但滑坡體厚度不明。滑坡體主要由第四紀松散覆蓋物和淺表巖層組成，但對于滑動面厚度，一直沒有準確的測定，也就無法對滑動體的規(guī)模做出合理評價，進而進行有效的治理。鑒于此，本研究主要采用高密度電阻率法對滑坡體的結構形態(tài)和厚度進行探測應用研究，主要查明滑坡體的厚度變化與空間分布，以評價滑坡體的完整性和穩(wěn)定性，為露天礦山對滑坡體的進一步安全處理提供可靠的數據支撐。

4 基于高密度電阻率法的露天礦山滑坡體探測成果

為了準確控制滑坡體的空間分布和厚度變化，沿垂直滑坡體長軸方向布設了6條高密度電阻率法測線，分別是測線G1-1、G1-2、G1-3、G1-4、G1-5和G1-6，每條高密度電阻率法測線間的線距為20m，每條測線上的測量點電極距為3m，每條測線共布設測量電極60根，具體的高密度電阻率法數據采集裝置為溫納裝置，也就是傳統(tǒng)的對稱四極裝置，測量效果最穩(wěn)定。數據采集采用的隔離系數為19，這樣每條高密度電阻率法測線可以采集570個電阻率數據。采集完的數據經數據線導入電腦，進行數據轉換和預處理，后采用專門軟件進行反演處理和地形校正，最終得到可供地質-地球物理解譯的高密度電阻率法探測成果。對于探測成果解譯，需要結合區(qū)內地質數據資料、現場踏勘和地質鉆探驗證成果不斷反復解譯，以準確反映探測區(qū)的地電斷面和實際地質情況。

下面以其中的高密度電阻率法測線G1-2為例（圖1），對露天礦山的滑坡體探測成果進行解譯分析。從滑坡體的高密度電阻率法探測成果可以明顯看出，滑坡體與其下伏基巖呈現出明顯不同的兩種電阻率異常分布區(qū)塊，基巖主要表現為相對高電阻率異常區(qū)塊位于滑坡體下方，而滑坡體由于充水呈現明顯的低電阻率異常區(qū)塊位于基巖面之上，在二者之間可以觀察到明顯的過渡界面，可以推測為滑坡體的滑動面，也就是滑坡體與基巖的分界面。從露天礦山滑坡體高密度電阻率法探測成果中知，滑坡體最小厚度為10m，最大厚度為20m，且滑坡體厚度從較高海拔處向較低海拔處逐漸變薄。電阻率剖面上出現的局部相對高阻，為地表出現的較大裂縫導致，同時說明滑坡體結構比較松散，穩(wěn)定性相對較差，可以對滑坡體的安全性起到一定的超前預警作用，需要在后期盡快進行安全處理工作。與此同時，采用鉆探手段對剖面圖典型地段進行了驗證，進一步證明了采用高密度電阻率法探測露天礦山滑坡體的有效性。

圖1 滑坡體剖面高密度電阻率法探測成果圖

特別是對采用高密度電阻率法在露天礦山滑坡體中探測到的裂縫發(fā)育情況，需要特別關注，它極易誘發(fā)滑坡體的局部快速滑塌，從而造成突發(fā)的次生地質災害。如本次研究在測線G1-2的174-198m和210m～240m處發(fā)現兩處較大的滑坡體地裂縫，裂縫已經導通到滑坡體的滑動面，說明該滑坡體完整性比較差，且在測線的129m顯示出發(fā)育潛在地裂縫的前兆，也需要在進一步的工作中關注。上述完整性比較差的滑坡體，其整體穩(wěn)定性也比較差，極易在氣候突變條件下，如夏季的突降大雨或春季快速凍融的情況下滑動面充水活化而發(fā)生快速移動，從而造成露天礦山滑坡體局部滑動面二次滑動，誘發(fā)局部的次生地質災害，特別是當其位于露天礦山采場邊部時危害更大，容易產生連鎖地質災害。針對上述此類情況，在關鍵部位需要進行滑坡體的安全治理，消除此類安全隱患。

同時進一步說明，高密度電阻率法可以對露天礦山滑坡體結構面的局部完整性進行有效探測，評價滑坡體的完整性，提前預警滑坡體的穩(wěn)定性，便于及時的安全治理，以避免誘發(fā)不可控的次生地質災害事故。

基于上述探測研究成果，考慮到高密度電阻率法直觀性和精細度，如果在露天礦山的滑坡面位置布設一定數量的測量電極，實時動態(tài)探測滑坡體的變化特征，就可以對滑坡體完整性導致的危險性實時監(jiān)控，這為暫時無法安全處理的滑坡體災害防控提供了有效的監(jiān)測技術手段。

5 結論

（1）高密度電阻率法可以有效識別出露天礦山滑坡體的范圍和厚度，其厚度在10m～20m之間變化，從海拔高處向海拔低處滑坡體厚度逐漸變薄，并可以準確定位滑動面的位置，還可以探測出滑坡體局部地裂縫發(fā)育情況，在評價滑坡體完整性的同時預警滑坡體的安全性。

（2）將高密度電阻率法的溫納裝置成功應用于露天礦山復雜地質環(huán)境和人文干擾環(huán)境下的滑坡體探測工作中，獲得了可信的電阻率剖面，這為以后露天金屬礦山滑坡體調查提供新的思路和科學技術手段。