綜合物探技術(shù)在礦山地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

吳 昊，莊溶山，陸俊杰

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210000）

綜合物探技術(shù)就是將集中物探技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，并借助現(xiàn)代電子信息技術(shù)加以創(chuàng)新，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)反饋，能夠?qū)Ω畹牡V山地質(zhì)進(jìn)行更加精確的評價[1]。在我國采礦深度越來越深的背景下，綜合物探技術(shù)因此勘探精度高、適合深礦井等優(yōu)勢，近幾年在采礦行業(yè)發(fā)揮了重要的作用，有著良好的應(yīng)用前景。

1 綜合物探技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用范圍

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

綜合物探不僅能夠?qū)ΦV山淺層的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘探，獲取精確的參數(shù)，還能夠?qū)Σ煌疃取⒉煌匦蔚牡刭|(zhì)環(huán)境開展勘探，并獲取穩(wěn)定的參數(shù)結(jié)果，完成從淺層的地下2m到深層的地下數(shù)百米的勘探工作。此外，這種技術(shù)還能夠適應(yīng)各類地質(zhì)環(huán)境，且操作簡便，勘探的周期不長，所使用的技術(shù)及設(shè)備也都是來自現(xiàn)有的常用物探技術(shù)，成本也不會很高，并能有效滿足不同精度要求，對不同地質(zhì)環(huán)境的都能取得令人滿意的勘探效果，促使采礦企業(yè)能夠快速、準(zhǔn)確地掌握地質(zhì)情況，為后續(xù)的采礦工作提供有價值的參考。

1.2 應(yīng)用原則

綜合物探是將傳統(tǒng)的物探技術(shù)的相結(jié)合，包括常規(guī)的測繪以及鉆探等，將常用的技術(shù)相結(jié)合所衍生出的綜合性技術(shù)，其實質(zhì)上并沒有什么過于高端、昂貴的新科技。這種綜合的勘探方式能夠?qū)⒉煌锾椒绞綄崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)了單一方法的局限。在勘探時應(yīng)當(dāng)要按照先地上后地下的原則進(jìn)行操作，層層向下遞進(jìn)[2]。首先在地面上的勘探要按照先鉆探然后再物探的原則，通過鉆探收集地質(zhì)信息，取得地質(zhì)樣品進(jìn)行分析調(diào)查，并將分析結(jié)果進(jìn)行整理及反饋。之后再進(jìn)行地下的勘測工作，在地下部分，要將物探和鉆探技術(shù)相結(jié)合，并利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)將收集到的結(jié)果及時遠(yuǎn)程反饋。最終結(jié)合地面，和不同深度的勘探參數(shù)得出綜合的結(jié)果反饋。

1.3 應(yīng)用范圍

由前文所述可以看出，綜合物探法就是將常用的物探、鉆探技術(shù)和現(xiàn)代電子信息技術(shù)相結(jié)合，來勘測不同深度地質(zhì)的物理性質(zhì)，并收集各深度的勘探數(shù)據(jù)，對礦山地質(zhì)的巖層特性以及構(gòu)成、密度等開展綜合分析。其應(yīng)用范圍大致可包括以下幾個方面。

（1）礦山水文地質(zhì)勘探。目前應(yīng)用綜合物探技術(shù)進(jìn)行礦山水文地質(zhì)勘探時最為常見的，主要是利用水質(zhì)的導(dǎo)電性和巖層的地磁場進(jìn)行勘探[3]。開展這種途徑的綜合物探，旨在了解礦山的水文地質(zhì)條件，根據(jù)勘探結(jié)果安排采礦方案，預(yù)防事故發(fā)生。

（2）礦山隧道勘探。因為我國地勢西高東低，中部及西部分布著大量的山脈高原，其中蘊(yùn)含著儲量豐富的礦產(chǎn)資源。但是這些地區(qū)近年來加快了交通建設(shè)步伐，修建了很多交通隧道。為防止礦采開采工作破壞了交通隧道，就需要在采礦之前對山體內(nèi)部的隧道進(jìn)行勘探?？捎玫姆椒ㄓ蠺SR法、紅外探測法以及紅外探水法和長距離TSP法等，在采礦前和采礦過程中不斷探測，避開交通隧道，避免對交通造成影響。

（3）地質(zhì)災(zāi)害探測。自然地質(zhì)災(zāi)害看似是突發(fā)的，實際上通常地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前，其地質(zhì)內(nèi)部就出現(xiàn)了變化，只是肉眼從表面看不到，這就可以通過綜合物探技術(shù)對頻發(fā)自然災(zāi)害的地區(qū)，或者是因采礦導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境受到破壞，存在一定災(zāi)害風(fēng)險的區(qū)域進(jìn)行早期探測，及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的變化，從而及早預(yù)防。

（4）考古探測：綜合物探技術(shù)對于考古工作也有一定幫助。因此這種技術(shù)能夠有效探測地下深部的物理性質(zhì)以及內(nèi)部構(gòu)造，幫助發(fā)掘地下墓葬。這種方式能夠在避免對文物造成破壞的基礎(chǔ)上，有效探明所在位置。

（5）復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的礦山深部勘探。目前單一的常用勘探技術(shù)對于地質(zhì)復(fù)雜的深部勘探都不能夠取得滿意的效果，而綜合物探能夠通過幾種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，實現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)的深部勘探。比如筆者曾經(jīng)看到一處鋅礦勘探的相關(guān)資料，概況地層包括上三疊系的白云巖、凝灰?guī)r以及砂頁巖和灰?guī)r等，但礦產(chǎn)地巖卻少有露頭，并被厚度在5m～10m的浮土所覆蓋。對于這種情況，勘探人員通過集中方法整合，首先采用電阻率中間梯度法、激發(fā)極化法還有自然電位法等，得到相關(guān)參數(shù)及圖像，再選擇異常清晰以及異常復(fù)雜的地質(zhì)剖面作深部的剖面勘探。以TEM法掌握測區(qū)深部地質(zhì)物性特征，并對地質(zhì)體進(jìn)行半定量解析，綜合分析得出鋅礦的礦體所在深度及其頂部寬度等參數(shù)。

2 綜合物探中的幾種常用技術(shù)

綜合物探是將目前常見的物探技術(shù)相結(jié)合，選擇的技術(shù)和組合的方式并不唯一，具體的方案設(shè)計還要結(jié)合礦山當(dāng)?shù)厍闆r，以及勘探質(zhì)量的要求來設(shè)計，以下就例舉綜合物探中的集中常用物探技術(shù)。

2.1 瞬變電磁法

這種技術(shù)在綜合物探中十分常見，這種技術(shù)也被簡稱為TEM，是利用電磁的物探法。在實際應(yīng)用中，TEM技術(shù)利用地內(nèi)礦體的導(dǎo)電和磁功能存在的差異性，以電磁感應(yīng)為理論依據(jù)，掌握勘探范圍中的電磁變化，從而在勘探時及時判斷可能存在的地質(zhì)情況，為之后的采礦方案的制定，以及可能出現(xiàn)的問題制定應(yīng)對措施[4]。比如通過瞬變電池技術(shù)，能夠在勘探中有效探明礦井采空區(qū)域的積水所在位置，對于之后采礦方案的設(shè)計具有重要參考，是目前礦山水文地質(zhì)勘探工作中的一種常用技術(shù)。在綜合物探中加入TEM，能夠利用其技術(shù)優(yōu)勢，擴(kuò)大勘探面積，利用瞬變電磁所具有的煙圈效應(yīng)，實現(xiàn)對測區(qū)情況進(jìn)行較大面積的掌握。

2.2 礦井直流電法

因為礦山地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，對于礦山地下水文的檢測十分關(guān)鍵。通過礦山直流電法能夠進(jìn)行井下大空間的勘探。借助礦產(chǎn)巖石的不同電性進(jìn)行勘探，以全空間電場理論為核心，對礦井下的水文地質(zhì)進(jìn)行綜合分析。比如在礦井巷道底板的結(jié)構(gòu)勘探以及富水層的勘探，巷道迎頭部分的結(jié)構(gòu)以及富水性探測都可以運(yùn)用此種技術(shù)。

2.3 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)又稱GPR，這種技術(shù)在實際運(yùn)用過程中十分靈活，能夠多種地質(zhì)條件實現(xiàn)有效的探測，提高綜合物探的適用范圍。這種技術(shù)在應(yīng)用時因其操作工序簡單，并能夠進(jìn)行短時間的多次檢測，得到了勘探工作者的重視，并常見將其納入到綜合物探的工作中。此外，勘探的速度快，非常高效，并能夠滿足多種常見地質(zhì)的檢查標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無損檢測，使這種技術(shù)得到了廣泛青睞。

3 綜合物探的主要流程

3.1 測線的設(shè)置

綜合物探的測線布置決定了采集信息的所在區(qū)域，勘探主要是以測線劃分范圍，在這范圍中勘測土壤的相關(guān)參數(shù)信息，比如硬度、厚度、穩(wěn)定性等相關(guān)信息。同時在布置測線時，還要根據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行定位。具體的設(shè)置要結(jié)合礦山勘探區(qū)域的實際情況，結(jié)合圖紙數(shù)據(jù)，以及實際被測范圍。經(jīng)過綜合確定最佳的測線設(shè)置位置，為之后的勘測工作提供有利先決條件。

3.2 物探相關(guān)參數(shù)的設(shè)計

勘探人員應(yīng)當(dāng)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，比如道數(shù)參數(shù)就要全面貼合礦山的勘探需求，對道數(shù)的布置進(jìn)行合理確定。此外，還要對各重點的參數(shù)信息進(jìn)行收集與評估，比如礦山所在區(qū)域的濕度參數(shù)、水文、環(huán)境等相關(guān)參數(shù)內(nèi)容做好把控。此外還要考慮能夠?qū)碧骄仍斐捎绊懙囊蛩囟加心男?，并對這些因素加以有效控制。比如在激震參數(shù)方面，除常規(guī)的設(shè)計思路外，還應(yīng)考慮到期間可能存在的影響因素。根據(jù)規(guī)范，要保證落重深度控制、錘擊深度設(shè)、炸藥的震源等都控制在設(shè)計的閾值范圍內(nèi)，全面切合勘探要求。其次是要考慮綜合物探過程中的操作工序及方法。這要考慮土質(zhì)環(huán)境的自身因素，不同土質(zhì)下的操作方法是不同的，要結(jié)合礦山當(dāng)?shù)赝寥老嚓P(guān)參數(shù)來設(shè)計操作的方法。從土壤的參數(shù)來看，如果是較為松弛土體，那么應(yīng)當(dāng)采用頻率較低的激發(fā)參數(shù)。如果土壤參數(shù)顯示土體較硬，那么激發(fā)參數(shù)建議選擇中高頻率。這種方式考慮了其激發(fā)操作和土體性質(zhì)的平。最后還應(yīng)考慮墊板以及標(biāo)準(zhǔn)尺寸的相關(guān)設(shè)置，從而保證物探過程中的激震控制在合理范圍內(nèi)。

3.3 間距優(yōu)化

勘探的間距設(shè)計也是在綜合物探工作中需要考慮的一項重點，要保證間距滿足礦山地質(zhì)勘探的要求。具體的設(shè)置要結(jié)合礦山實際情況，以及所采用的物探技術(shù)。此外，勘探工作者還要考慮到能夠影響精度的負(fù)面影響情況，預(yù)留出一定的誤差空間，在合理的范圍內(nèi)安排間距的設(shè)置。

4 案例分析

4.1 工程概況

DG礦井位于山西省，地勢為丘陵，可見明顯程度的地勢起伏，最高點位于東北方，最低點則在西南方。礦山以煤礦為主，煤層分布比較穩(wěn)定，普遍深度在40m左右。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料可以看出，礦井區(qū)域的斷層裂隙呈明顯的發(fā)育狀態(tài)，且地下水豐富，結(jié)合實際情況，所采用的技術(shù)以瞬變電磁法為主，并配合地震勘探法，對礦區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合物探。

4.2 地震勘探

通過地震反射波可在測區(qū)西部測到明顯的波組特征，對礦區(qū)各測點結(jié)果進(jìn)行交點閉合，能夠看到主采煤層可見連續(xù)的反射波，波組特征明顯。在其他測線的范圍中有的區(qū)域能夠看到波動，而有的區(qū)域則缺失波段。整體呈現(xiàn)零散波組。結(jié)合采用的瞬變電磁法，判斷波組凌亂的地區(qū)屬于陷落柱的地質(zhì)情況。而可見明顯搓動扭曲的波組的部分，結(jié)合當(dāng)?shù)匾酝牡刭|(zhì)資料，判斷屬于斷層結(jié)構(gòu)。

4.3 瞬變電磁勘探

選擇瞬變電磁法和地震勘探剖面重合的測點進(jìn)行重點分析，在瞬變電池法下能夠看到地面標(biāo)高60m異常呈中—低—中—低特征的等值線，這是丘陵地區(qū)煤礦礦山的典型表現(xiàn)。地面標(biāo)高不足60m的視電阻率其橫向均是均勻狀態(tài)，這個灰?guī)r的勘探特征相吻合。在標(biāo)高約0m的位置，可見一些測點見到電阻率異常的情況，認(rèn)為這是陷落柱的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在地面標(biāo)高超過60m的部分，能夠看到一些測點的電阻率異常，且出現(xiàn)低阻異常，推測這一部位應(yīng)當(dāng)是斷層富水區(qū)，采礦時應(yīng)盡量避免這一區(qū)域。

4.4 綜合物探結(jié)果解釋

本工程通過綜合物探共判斷存在一個陷落柱，5個富水區(qū)以及23個斷點，其中斷點在勘探區(qū)的各個位置均有分布。對斷點進(jìn)行組合與進(jìn)一步勘探，共判斷存在7條組合斷層。并基本探明了勘探區(qū)域的斷層以及富水性質(zhì)。陷落柱區(qū)域的富水性明顯強(qiáng)于其他部位，但請他部位也存在較大的中等富水層，水源為灰?guī)r巖溶水。將礦探結(jié)果和以往勘探相關(guān)質(zhì)料相比對，本次綜合物探和鉆探、以往勘探結(jié)果基本相符。證明了本工程采用的綜合物探是可行的。

5 結(jié)語

綜上，將綜合物探技術(shù)應(yīng)用到到礦山的地質(zhì)勘探工作中，能夠有效提升礦山勘探的效果，并和現(xiàn)有地質(zhì)資料相結(jié)合，可進(jìn)一步探明礦區(qū)的地質(zhì)情況和水層分布。為礦井的正常運(yùn)作，提供了高效的勘探結(jié)果。