尾矿坝浸润线的雷达探测技术

2012-01-08王永强谭钦文张以虎

中国矿业 2012年8期

王永强，谭钦文，张以虎，李超

(1.西南科技大学环境与资源学院,四川绵阳 621010；2.西安中核蓝天铀业有限公司，陕西西安 710500；3.西南油气田分公司川西北气矿,四川江油 621741)

尾矿库是矿山企业选矿后堆放废弃矿渣的地方，为维持选矿厂正常生产、保护环境和资源储备需设置尾矿库[1]。尾矿库天然具有高位势能且拥有较大的容量的水砂体，所以一旦溃坝极易形成泥石流，造成巨大危害。因此尾矿库是矿山企业重要生产设施之一，也是在安全生产过程中需要重点管理和维护的对象。

尾矿库内的水沿尾矿颗粒间的孔隙向坝体下游方向不断渗透形成渗流。稳定渗流的自由水面线称为浸润线。尾矿坝内浸润线位置越高，坝体稳定性越差，易产生流土、管涌等破坏，所以浸润线的高低是表征尾矿库安全状态的一个重要指标。

坝体浸润线的监测最常用的方法是选择能反映主要渗流情况的坝体横断面，或预计有可能出现异常渗流的横断面作为观测断面，埋设适当数量的测压管，通过人工测量测压管中水位来获得浸润线的高低[2]。这种方法的优势在于测量结果直观可靠，缺点在于钻孔施工成本偏高且布设的观测点数量有限，很多中小型矿山企业难以操作，不易实现。另外，如果维护不当则会出现测压管因锈蚀或淤堵而不能正常工作的情况。因此寻找一种快速、可靠、无损的浸润线探测方法成为矿山企业亟待解决的问题。

探地雷达作为一种无损探测设备在水利坝体探测中已经得到较多应用，成为一种坝体缺陷检测的方法手段。尾矿库坝体内部浸润线以下部分的含水量高，对探地雷达的电磁波信号具有极强的吸收作用，也就是说探地雷达信号在浸润线边界处会有明显的波形异常特征，这使得探地雷达应用于尾矿库浸润线探测成为可能。本文将对探地雷达探测尾矿坝体浸润线的方法进行理论分析和应用解析，建立一种浸润线的无损探测方法。

1 探地雷达探测浸润线的理论分析

1.1 探地雷达的探测原理

探地雷达的工作原理是用无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源，其脉冲参数因目标探测要求而定。用宽带天线将高速脉冲转换成脉冲电磁波进行辐射，一部分经发射天线直接到达接收天线形成直达波，可用作地下目标深度的参考；一部分进入地下传播，当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射，反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波，反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标再从目标到地表传播所需的时间。当电磁波在地下传播的速度已知时，即可求出地下目标或地下界面的深度，并且反射波带有地下目标和地下媒质的性质信息，对反射波进行分析，可以确定地下目标的性质。当发射天线和接收天线在地表的相对位置固定，而共同移动时可以得到一组反射波，将这一组反射波表现出来，就可得到地下目标相对地表的位置信息，从而发现地下目标。由于电磁波在不同电性，不同形态的介质中传播时，其路径、强度、波形均随之变化，因而可根据测得的波的传播时间、幅度、相位、波形来判断介质的结构与深度[3]。

1.2 雷达探测浸润线的可行性分析

尾矿主要是由选矿后排弃的尾矿砂和水组成的，介质相对均匀、单一。当尾矿砂饱和度达到100%以后，多出的水分会析出，因此所谓浸润线即饱和尾砂与非饱和尾砂的分界线[2]。浸润线是尾矿库坝体的一个重要安全指标，在这条分界线上下虽然都是同一物质——尾矿砂，但是含水率却是显著不同的，浸润线以下是水饱和的尾矿砂，含水率达到100%；浸润线以上是非饱和的含水率相对低的尾矿砂，距离浸润线越远的砂含水率就越低。因此，从浸润线上下砂体不同含水率的特性上来看，浸润线具有被探测出的物理特征。

探地雷达的雷达波在不同介质中的传播速度是不同的，湿砂的介电值是25～30，雷达波的在其中的传播速率是55～60mm/ns；干燥的砂介电值是3～6，雷达波的在其中的传播速率是120～170mm/ns[4]。水介质的相对介电常数为81，一般土壤在2.6～40的范围内，可见水介质与其他介质的相对介电常数差异是很大的[5]。因为浸润线上下的砂体含水率显著不同，所以电磁波在不同介电值的砂体中具有不同的传播速率，浸润线以下的砂土水分呈饱和状态，其介电常数和电导率与上部砂土应存在较大的差异，这是应用探地雷达技术检测浸润线的基本依据[6]。所以电磁波到达浸润线介面时由于物性的差异会产生显著的反射现象，这也说明了探地雷达的对于尾矿库的浸润线探测具有物探技术的基本应用条件。

利用探地雷达的正演模拟方法也可以论证浸润线雷达探测的可行性。探地雷达数值模拟又称为正演模拟，是利用给定的地质模型，根据电磁波传播方程，采用适当的数值方法计算出电磁波场[7]。正演模拟是研究高频电磁波在地下介质中传播规律的有效途径，本次研究中正演模拟分析可以解决两个问题：一是模拟电磁波对尾矿库浸润线物理结构特性的响应如何，能否根据电磁波的信号波形推断出浸润线的分布情况，从一定程度上解决雷达探测浸润线的可行性问题；二是通过分析各种地电模型的正演结果，可以加深探地雷达对不同物性反射剖面的反馈信号特征，应用正演模拟可以与反演分析相互比较印证，提高反演分析中雷达波形图谱的解释精度。

正演分析采用 GPRSIM 商业软件，版本为3.0。首先根据尾矿库坝体和浸润线的一般构造进行计算机建模，选取尾矿坝体的横截面作为建模平面，将不同物性的砂体放置在截面之中，模型如图1所示。图1中，左上角为雷达开始扫描的起点，从左向右一直扫描至另一端；浸润线在截面中已有表示，模型中增加了一个含水量由饱和到干燥的过渡区域。

①为干砂区域；②为饱和砂和干砂的过渡区域；③为含水饱和砂区域。

图2是经过正演模拟之后的雷达扫描图，在图中可以看到在浸润线出现的位置雷达的电磁波信号有了明显的透射和反射作用，呈现出易于观察的信号异常图像，并且信号反射线所连成的界面与浸润线的界面形状也基本一致。

R为一次反射波；RR为侧反射波：TRT为透射反射波。

因此，通过探地雷达的正演模拟的结果分析可以得知，雷达电磁波信号在遇到浸润线界面的时候会产生明显的透射和反射作用，从雷达波形线图像上可以看出浸润线的深度和基本形状。与理论分析的结果一致，正演分析又印证了雷达探测尾矿库浸润线是可行的。

2 某尾矿库浸润线的雷达探测

2.1 尾矿库基本情况

拟探测的尾矿库初期坝已经形成，目前处于堆坝阶段。尾矿砂的主要成分含有钛铁矿、硫化矿、橄榄石、钛辉石、钛闪角石、斜长石等。初期坝采用滤水堆石坝，坝顶高程为1705m，坝底高程为1658.5m，坝高为46.5m，坝顶宽6m，距坝顶高程每15m处设一马道，马道宽2m。尾矿库采用上游法堆坝，利用尾矿堆筑子坝，堆坝方法采用推土机堆子坝，人工配合修整边坡和护坡。该尾矿库设计总坝高241m，总库容3085.6万m3，根据《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ1)的规定，按尾矿库的总库容小于10000万 m3，大于1000万 m3，尾矿库等级为三等；按总坝高241大于100m，尾矿库等级为二等，综合考虑尾矿库为二等库。

2.2 雷达探测与解析

2.2.1 雷达选型与测线布置

本次尾矿库浸润线探测采用美国GSSI公司生产的SIR20型探地雷达仪。天线频率选用低频组合天线，频率在15～80MHz之间，可自行组合使用。根据矿山的实际情况，选用了40MHz天线，探测深度可达0～50m左右[8]。

由于40MHz天线的总长度有2.4m，所以测线选择的位置必须空旷足以满足天线的移动，目前该尾矿库初期坝顶有6m宽，堆积子坝还未形成，所以本次探测把浸润线测线布置在初期坝顶位置。测线的方向沿着初期坝的纵向，由一侧坝肩测向另一侧坝肩，基本呈直线。

2.2.2 雷达探测图像反演分析

尾矿库浸润线的雷达探测波形图像如图3，图中水平方向为测线的长度，垂直方向为探测的深度。图中可以看到测线长105m，也就是尾矿库初期坝的长度；垂直方向深度为35m，也是就探测中40MHz天线在一定介电常数下的设定探测深度。雷达波形图像由两部分图像拼接在一起，原因是尾矿库初期坝顶的测线由于雷达天线信号线长度原因分成两段进行探测。

图3 尾矿库浸润线雷达的探测图像

图3中的雷达波形图像具有几个特征，对其分析如下：

1) 在测线开始的地方，距坝顶下约12m的处出现了界面反射信号，随着测线的延伸，界面信号连续发展并且深度逐渐增加，在水平测线65m处达到约18m的深度，然后又逐渐上升，在测线结束的地方该界面处于约12m的深度。连通来看，图像中有一条较连续的条带状的界面反射图像。相关水坝浸润线探测文献显示，在浸润面，雷达图像中常表现为条带状连续强反射[9]。

2) 在距坝顶深25m以下的部分，雷达的反射信号较弱，测线水平距离88m下方13m处可能因为渗水出现异常信号，其他部分皆无明显的信号异常且信号强度减弱。浸润线以下其雷达反射波信号振幅较弱、频率较高，同相轴较连续和稳定[10]。图3中连续界面以下的信号振幅快速减小，推测该连续界面即为浸润线。由于浸润线以下含水量较高，因此对雷达波的信号吸收加强，所以在图像中连续界面以下出现信号明显减弱的现象。

通过对雷达探测图像的特征进行反演分析，图3中的连续界面反射信号就是尾矿库初期坝下的浸润线的探测信号，将这层界面用红色虚线标注在图3中，即看到了初期坝下的浸润线的分布状态。

2.3 验证分析

为了验证雷达探测结果的准确性和可靠性，在雷达测线上选择了2个位置进行了钻孔作业，然后安装了测压管，通过测压管内的水压力测量得到了2个探点下的浸润线水位，将其与雷达探测结果比较，情况如表1所示，表中探测位置中的0表示雷达测线的起点，+45m表示该点距离起点有45m，实测结果和雷达结果表示的都是距离测线表面的向下深度。