物探在矿井巷道中的应用

2016-12-05林发养福建省闽西地质大队

低碳世界 2016年22期

林发养（福建省闽西地质大队）

物探在矿井巷道中的应用

林发养（福建省闽西地质大队）

矿井巷道的目的，是在于查明巷道所处位置的工程地质条件和水文地质条件以及巷道施工和运营对环境保护的影响。为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计方案和施工措施，从而使巷道工程经济合理和安全可靠。在巷道勘察中物探方法作为辅助手段，根据前期物探结果有利于提高勘察工作效率及降低成本有着重要的作用。工程物探在巷道勘察中的应用十分广泛，根据现场条件、物性差异和干扰情况，合理地选择了综合物探方法技术，为提高勘察精度，采取了有效措施和适当的数据处理方法，获得了良好的地质效果，为巷道设计提供了科学依据。本文讲述了综合物探检测软弱围岩的经验和几点认识，并讨论了该勘察方法的应用。

综合物探法；巷道勘察；工作原理

1 物探简介

1.1 物探分类

凡是以各种岩土物理性质的差别为基础，采用专门的仪器，观测天然或人工的物理场变化，来判断地下地质情况的方法，统称为物探。物探有很多的类型，比如有电法勘探、地震勘探、电磁法勘探、重力勘探、声波探测和磁力勘探与放射性勘探等。在隧道工程地质中，较常用的有电法勘探与地质雷达勘探等。

首先来看一下电法勘探，所谓电法勘探就是为了判断地下地质情况，这个需要由仪器测定岩、土导电性的差异。电法勘探的效果是有好坏之分的，主要受地层间的导电性差异、所测地层的长度、宽度和厚度、相对的埋藏深度、地形的平坦和游散电流与工业交流电等干扰因素等。根据本次电法勘探的目的，我们要依据所测得的瞬变电磁的视电阻率变化规律，结合已知资料，从已知到未知，从简单到复杂，进行综合对比分析解释。

瞬变电磁资料的处理和解释工作是同时进行的，它们之间存在一种从实践到认识的提升过程。资料解释是建立在资料处理所得视电阻率断面图的基础上。瞬变电磁资料的解释主要依据单点数据（视电阻率——反演解释）对含水层的富水情况进行解释，当然这个过程也需要考虑整条测线的视电阻率断面图。这个过程可以根据钻孔资料来确定确定目的层，绘制层位的电阻率平面图，再结合定性图件和资料来分析富水层的情况。

地震勘探是根据岩、土弹性性质的差异，通过人工激发的弹性波的传播，来探测地下地质情况的一种物探方法。地震勘探直接利用岩石的固有性质（密度与弹性），较其它物探方法准确，且能探测很大深度。在工程地质勘探中主要用于：①探测覆盖层的厚度、岩层的埋藏深度及厚度，断层破碎带的位置及产状等；②研究岩石的弹性，测定岩石的弹性系数等。

地质雷达（电磁法勘探）是利用高频电磁脉冲波的反射，探测地层构造和地下埋藏物体的电磁装置，故又称探地雷达，通过发射天线向地下辐射宽带的脉冲波，在地下传播中遇到不同介质的介电常数和导电率存在差异时，将在其分界面上发生反射，返回地表的电磁波被接收天线接收，根据接收的回波来判断目标的存在，并计算其距离和位置，可用于空中，地面与井中探测，但主要用地面。

1.2 物探工作原理

1.2.1 浅层地震反射波法工作原理

所谓浅层地震反射波法就是指地震波在不同分界面上的反射原理，这个反射是有一定规律的，而浅层地震反射波法就是研究这个规律的。在这个过程中，可以运用人工震源激发出来的地震波，这种地震波在岩土中的传播是有规律的，即遇到弹性不同的介质分界面时，这种情况下就会有波的反射产生，那么就可以用检波器来接收其反波信号，然后再通过浅层地震仪接收反射地震波，这样通过收集来的信息就可以进行时频特征和振幅特征的分析，进而可以进一步寻找更好更有效的探测方法，如地球物理勘探方法。

人工激发产生的地震波在向地下介质中传播时，是有规律可循的，可以参考波动理论，不同的岩土层具有不同的波阻抗差异，地震波经过时就会发生反射。应用专门的仪器记录各种波的传播时间和特征，经过数据处理后，便可获得岩土层、断裂带等的相关信息，从而解决相应的工程地质问题。

1.2.2 高密度电法的工作原理

所谓高密度电法，其实是从属于电法勘探中的电阻率法的，实质上就是用供电电极（A、B）向地下供直流（或超低频流）电流，在这个时候也要测量电极（M、N）间观测电势差（ΔUmn），同时计算出视电阻率（ρs）。关于视电阻率，其实并不是岩石的真电阻率，而是在电场中的地下电性不均匀体的综合反映。视电阻率值是会变化的，这个是与地下不同导电性岩石（或矿体、不良地质体）的分布状况、采用的装置类型、装置大小、装置相对于电性不均匀体的位置以及地形等也是有关的。在确定的电断面中，如果按照一定的规律来改变位置的话，这种情况下的视电阻率的变化也是有一定规律的。从实质上来说电阻率是为了解决地质问题的，这个过程是可以参考视电阻率的变化的。

1.2.3 音频大地电场法工作原理

所谓音频大地电场法勘查技术，其实就是要利用天然大地电场作（频率在0.01～30kHz）作为场源的，进而才能逐点测量电场强度，当然这个过程是要参考在地面沿一定的观测线的一定的点距的。那么我们可以根据平面波电磁场在介质中的传播理论，得出这样的关系式：

式中：ρɑ——电阻率，Ω·m；

Hy——磁场强度，A／m；

Ex——电场强度，V／m；

f——频率，Hz。

从公式中我们可以发现，地下岩体电阻率的变化情况（ρɑ与Ex2成正比）可是可以通过观测到的电场强度的变化反映出来的，并且可以进一步做出相应的地质上的推断解释，基本能够达到了解地质灾害、岩土工程问题的目的。

2 综合物探方法选择

2.1 选择的思路

（1）可以采用浅层地震反射波法，这样可以查明测区内水面下50m深度范围内的地层分布（不良地质滑坡及障碍物）。

（2）可以采用浅层剖面法，运用这种方法可以查明测区内障碍物、浅部地层分布（包括不良地质滑坡等）。

（3）我们也可以运用侧扫声纳及磁测来查找测区内废弃的构筑物、桩基、沉船和炸弹等江底以及埋于江底沉积地层中的金属物体。

（4）可以采用双频测深来进一步查明江底精细地形的变化情况。

以上的物探方法各有千秋各有利弊，这样的情况下可以采用综合物探方法工作，这样可以取长补短，从而适应工程勘察的需要。

像一些以山地为主，并有黄土丘陵、山间盆地分布的复合型山地地貌，若海拔在1000m左右，相对高度多在100～500m之间。在漫长的地质历程中受频繁构造断裂运动的影响，使得山沿断层面形成约1000m的山峰，形成阶梯状的绝壁，其中河流又横切山地，形成了陡峻的 “V”型峡谷，一般峡谷深约500m，宽约50～150m，将阶梯状的绝壁切断，形成了绝壁林立、山势陡峭、峰峦叠嶂、千山万壑的地貌，具有断块山的特征。在山势陡峭，钻探设备难以到达指定位置，应采用多种物探手段对巷道场址进行了详细的勘探，结合有限的钻探资料，查明巷道场址的岩土工程问题。

2.2 选择方法

各种物探技术都有其适用性和局限性，所以我们要具体问题具体分析，对于不同的勘探任务，首先需要的就是仔细第分析勘探的地形地貌以及地质条件，进而选择适合的物探方法，然后结合已有的勘探资料来进行综合解释。其中特殊的是工程物探一般是可以连续测量的，值得注意的是对于查明埋深较大的目标体的分布情况时，要优先选择钻探等常规的“点探”的勘探方法。工程物探其实是一种间接的勘探手段，从根本上说是不能直接提供岩土力学参数的，所以就需要与钻探、原位测试等勘探手段所取得的勘探成果来进行对比进而分析成果，建议相应的经验关系，对于一些较难确定的异常目标体，还应采用钻探手段进行确认。

工程勘察技术人员业务水平和综合能力的关键是：①培养勘察技术人员的技术素质；②拓宽专业知识的广度和深度；③积极参与工程实践。

（1）合理地选择与运用工程的物探技术与传统的勘探技术相结合，这可以说是解决巷道勘察存在的技术问题的最佳途径。但是呢每一项的技术都是有其自身的局限性的，要想有效地来解决某些复杂的岩土工程勘察中出现的技术问题，就必须来采用多种勘察手段进而才能互相补充与互相验证。

（2）各种间接的勘察手段所获取的资料是要与传统的勘察方法如施工检测、施工监测成果来进行对比和验证的，这样才能建立起相对应的经验关系的，尽可能的来确保工程勘察质量。

需要明确的就是物探是作为工程建设勘查的辅助手段的，所以就必须具体情况具体分析，选择合适的勘查方法的技术，采用的几种综合物探方法来组合，从而才能够取得较好的勘查成果。