水泥石灰岩矿山溶洞勘察初探

钱洪春

摘  要：文章简要介绍岩溶勘察常用物探方法的基本原理和技术，并举例说明其在岩溶发育的水泥石灰石矿山进行溶洞勘察的有效性。探测结果与后期开采反馈结果基本吻合，说明综合物探方法在勘查溶洞方面具有可行性和有效性，可为后期矿山开采提供可靠的依据.

关键词：岩溶;物探方法;矿山地质勘察;溶洞

前言

岩溶溶洞具有隐蔽性和不确定性，对水泥矿山开采造成重大的安全隐患。应用综合物探方法对溶洞进行勘查，查明其赋存状态，以消除矿山安全隐患。本次试验选用的方法有高密度电阻率法、瞬变电磁法、浅层地震、地质雷达等。

1 方法与原理

1.1 高密度电阻率法

是集电剖面法和电测深为一体的一种地学层析成像（Geotomography，简称GT）技术。实行密集采样来提高采样率和“多次覆盖”的方法提高信噪比。多次覆盖是指由不同的电流电极、不同的电位电极以地电断面上相同的“点”进行多次测量，而且实现数据的快速采集和微机处理。

野外工作采用WGUD-2型高密度电阻率测量系统。工作温度-10℃～+50℃;工作湿度为95%RH;电源由四个电池箱组成，最大输出电压为360V。

野外数据采集的观测装置：α、α2;电极间距5m;隔离系数：1～16;电极60根。

对原始资料进行全面检查、复核后，准确无误地录入计算机，并转换成RES2D格式。采用M.H.Loke博士设计的RES2DINV软件进行地形改正及反演计算。

1.2 瞬变电磁法

是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用另一回线接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场的电法方法。二次场按指数规律衰减，其大小与地下地质体的电阻率有关，低阻体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大;根据二次场衰減曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、规模和产状等，从而达到解决溶洞、断层等地质问题的目的。

野外工作采用中科院地球物化探所生产的IGGETEM-20瞬变电磁仪。主要技术指标：最大输出功率500W;最大输出电压48V;最大输出电流10A;发射电流为双极性，占空比1：1;脉冲宽度分4、10、20、40s。

野外观测采用10m×10m重叠回线装置，在发射线圈上并联51Ω的电阻，接收线圈上并联200Ω的电阻，有效地抑制了早期测道的阻尼振荡。有关技术参数为：发射周期T=4ms（1～54取样道）;下降沿关断时间Dn=24μs;采样延迟时间De=10μs;采样时窗范围为0.007～2.535ms;叠加次数St=512次（干扰较严重的测点加大至1024次）;供电电流7A。

采用随机的瞬变电磁工作站进行数据处理及多次计算。

1.3 浅层地震

利用介质的弹性波速差异来解决地质问题的地球物理方法。浅层地震勘查在每条测线上均有选择地布置了多道瞬态面波法、高密度多波列地震影像法、地震折射波法。其中地震影像法是全线覆盖，地震折射法和面波法排列根据实际解释需要布置。为便于资料对比分析，测线桩号以地震影像桩号为准。

野外工作采用SWS-1型多功能面波仪。

1.3.1 多道瞬态面波法

具体工作参数为：

道间距2.0m;偏移距10-30m;24道观测;采样间隔1.0ms;采样点数1024点;震源为重锤;检波器频率4Hz。

数据处理采用瞬态面波资料处理专用软件，计算频散曲线和地层速度划分，以确定基岩埋深与岩溶发育状态。

1.3.2 高密度多波列地震影像法

野外采集数据时，使用10Hz三分量检波器，仪器开通三道接收方式，以采集更丰富的资料。采用1.0m点距;10-16m偏移距;采样间隔为0.5ms;采样点数2048点;震源方式为锤击。

室内将野外采集的三分量地震记录分别编辑整理，对比分析波动场特征，确定岩溶发育与分布状况。

1.3.3 地震折射法

采用相遇观测系统，在复杂地段增加中间炮或追加远炮，以确保基岩折射波的可靠性。同时为提高信噪比，部分排列使用震源弹激发。

相关参数为：道间距3.0-4.0m;24道观测;采样间隔0.25ms;采样点数1024点;震源为重锤或震源弹;检波器频率35Hz。

采用地震折射波法的目的是了解基岩深度和波速。室内解释一般以T0法为主，在基岩面起伏较大时采用射线追踪法。

1.4 探地雷达

探地雷达是应用脉冲电磁波来探测目标物。

野外数据采集采用瑞典玛拉公司生产的RAMAC型探地雷达及配套的50MHz软体天线。

工作参数的选取为：工作频率50MHz，软体天线发射和接收，采样点数为512，叠加次数为自动，工作时窗为700-1000ns。

资料进行整理及处理的主要内容有：校核班报记录与磁盘文件，回放图像记录，对记录进行增益调整、滤波等初步处理，进行记录质量初评，分析现场采集数据过程所用方法及参数是否达到或接近最佳，并对记录进行初步解释。雷达资料采用随机的后处理软件进行分析解释。

2 应用实例

试验地点为广西平南水泥矿山、贵港水泥矿山、田阳水泥矿山和广东封开水泥矿山。分别按线距10米或15米布置，共布置剖面16条，剖面总长度为4890m。在方法试验的基础上编写了物探单项设计书。试验以高密度电阻率法为主，辅以瞬变电磁、浅层地震、探地雷达等方法。综合应用以上4种方法对华润水泥矿山溶洞进行勘查，通过对勘查结果的综合分析，共圈出6处浅部异常区和15处深部异常区，圈定了溶洞的位置，并确定了其不同埋深。

3 结论与建议

（1）高密度电阻率法可以快速、准确地提供测区电阻率断面图，在探测溶洞的位置、大小和埋深等方面取得了很好的效果，但是其探测深度较浅。

（2）瞬变电磁法则显现出高分辨率、快捷、大探测深度、小探测盲区、对水的赋存状态反应敏锐等特点。

（3）浅层地震法要求地表坚硬、剖面偶合、激发能量一致。

（4）探地雷达具有方便、环境适应能力强、无损、快速、准确等特点。

以上列举的物探方法在勘察水泥石灰石矿山溶洞的几个应用实例表明，物探方法在解决岩深地质问题时卓有成效。但同时也应该强调，物探方法仅仅是一种间接手段，存在一定的局限性，只有同地质学其他方法紧密结合才能发挥更大的作用。

随着物探方法理论与技术发展，以及物探在溶洞勘察应用的不断深入，物探方法在勘察水泥矿山岩溶方面的地质效果将会不断提高，这一技术的应用也将不断为水泥矿山的安全生产作出重大贡献。

参考文献

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