老挝他曲钾盐矿中利用探地雷达辅助探矿效果分析

单联生

中农国际钾盐开发有限公司，北京 100073

1 前言

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR），是一种无损探测仪器，具有轻便快捷、操作简单、高效准确等特点，是利用高频宽频电磁波探测地下介质分布特征的一种地球物理探测技术，通过对雷达图像的判读可确定目标体（管道、洞穴、埋藏物、地层等）的分布特征，也可以通过读取接收到的反射波传播时间和求取电磁波传播速度来计算目标体的埋藏深度，其应用范围从最初的冰层、盐层等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质中，在岩土工程勘察、水文地质勘察、工程质量检测、地下埋藏物探测、塌陷和岩溶勘察、矿产资源勘探和考古学、冰河学等众多领域得到广泛应用【1】。

由于含盐岩石具有良好的电磁波传输性能，利用电磁波在岩盐中的这一性能，把雷达原理应用到钾盐矿中进行勘探是可行的【2】，该方法对矿床的勘探、矿床界限、内部构造以及绘图等方面卓有成效。自此之后，美国、加拿大等众多国家已经把这种以雷达原理为基础的勘探方法运用到盐矿中。

探地雷达古代探测深度从几厘米至几十米甚至近百米不等【3】。钾盐矿通常是埋深较大的矿产资源，受探测深度限制，雷达在钾盐找矿方面的应用比较少，但考虑到钾盐与泥岩及泥膏岩的明显电性差异，选择合适的雷达系统，可以作为钾盐矿山生产探矿中的辅助探矿手段。在以机采为主要采掘手段的现代矿山采掘模式中，钾盐矿山的开采具有其特殊性。老挝他曲钾盐矿主要的矿石产出为光卤石，其矿层沉积规律决定了矿体直接顶板为厚薄不均的原生层状钾石盐或岩盐，钾盐相较于钾盐层及光卤石矿层具有较大的抗压强度，能够对巷道起到一定的支护作用，开采过程中适当保留一定厚度的顶部盐层和矿房间柱可保证巷道顶板及围岩的安全和稳定性，无需支护作业，因此维持一定的矿层顶板厚度显得尤为重要。巷道掘进过程中，常规的探矿手段并不能随施工进行及时的探明前方矿体赋存情况，给施工带来一定的盲目性，增加了施工安全风险。另外，由于探矿设备及探矿力量的限制，传统的坑探与钻探结合的探矿方式成本高，效率低，探矿工作存在严重滞后的情况。为此，我们引进了拉脱维亚ZOND-12E型探地雷达辅助探矿，采用雷达与坑内钻结合的全新探矿方式，以达到保障施工安全，提高探矿效率的任务要求。

2 矿区地质概况

本矿床位于泰国沙空那空盆地的东端北缘，属于沙空那空成钾盆地的一部分，沙空那空盆地则位于呵叻高原的北部，面积约为20 200km2。呵叻高原位于印支中间地块，它处于藏滇印支地槽褶皱系南段。其南、西及北东三面分别以北柬埔寨、南乌江、湄公河深大断裂控制，构成一个独特的长期持续下降的拗陷带，其中沉积了广泛厚大的中新生代红色碎屑岩建造，特别是早白垩世晚期的燕山运动，使拗陷内沿大断裂方向形成一系列的凹陷和水下隆起，控制了本区晚白垩—老第三纪的成盐盆地的展布。此后，虽经历了多期构造运动影响，而高原内部的构造仍较简单，其形态总体上为边缘向上翘，周边地层向盆地中心倾斜，盆地内多以平缓波状褶曲为主，断裂较少。盆地中部被普潘隆起（马哈沙拉堪盐系沉积时为水下隆起）所隔，把大盆地分割为两个相对独立的盆地，北面的称为“沙空那空盆地”，南面的称为“呵叻盆地”【4】（图 1）。

图1 呵叻高原及老挝邻区构造略图（据钱自强等，1994）Fig.1 Structure of the Khorat plateau and adjacent areas of Laos (according to Qian Ziqiang et al., 1994)

开采区矿床成矿地质条件与沙空那空盆地基本一致，属于海源陆相蒸发沉积钾盐矿床，系由光卤石、钾石盐、岩盐所组成的氯化物型钾盐矿床，主要构造为盐背斜，走向北南，两侧伴随有向斜的部分。背斜轴部的上覆下泥层和中盐层的厚度变薄或缺失，由于盐类沉积的可塑性和重结晶性，难以确定其产状和位置。主矿种为钾镁盐矿产，主要钾盐层沉积于第一沉积旋廻的晚期，主要矿石产出为光卤石，直接顶板为次生钾石盐或岩盐，间接顶板为泥岩，底板为岩盐，根据钾矿层矿物组合和沉积序列，分为岩盐—光卤石—岩盐（A）型，岩盐—光卤石—钾石盐—岩盐（B）型，岩盐—钾石盐—光卤石—岩盐（C）型，岩盐—钾石盐—光卤石—钾石盐—岩盐（D）型，开采区矿层沉积以C型为主（图2）。

图2 开采区下盐层C型沉积盐背斜层位示意图Fig.2 Sketch map of C type sedimentary strata salt anticline horizon, in mining area lower salt beds

3 探地雷达在钾盐矿床中的应用

老挝他曲钾盐矿位于盆地边缘，主要构造为盐背斜，两翼矿体整体较平缓，多小型褶皱，矿区从最早的沿脉探矿和穿脉探矿方式逐渐演变为探矿穿脉和坑内钻相结合的方式，之后为提高探矿效率，降低探矿成本，结合实际地质条件，演变为全部用坑内钻的探矿方式，基本不用探矿穿脉探矿，这种方式已经在节能降耗方面取得较大的成绩。但不足的是，为保证施工安全，在井下巷道掘进过程中需要及时掌握前方矿体赋存情况，即及时进行超前探测，以保证光卤石上覆钾盐厚度维持顶板稳定，坑内钻施工进度较慢，在一定程度上影响生产的进行。探地雷达的操作简便快速准确的性能，不仅可以有效解决超前探测的问题，做到边探边掘，还可以进一步提升探矿效率。

3.1 探测方式的确定

常用的双天线探地雷达探测方法有两种，即剖面法和宽角法【5】，需结合矿山实际地质情况和探测目的选择探测方法。辅助探矿的目的，主要是探测巷道横纵剖面上目标岩体的厚度，适合用剖面法，发射天线与接收天线以固定间隔沿测线同步移动，每移动一次，便获得一个点的雷达时间深度剖面记录，在一条测线多点连续探测，最终生成连续的雷达时间深度剖面图像，其横坐标为天线在测线上的位置，纵坐标为探测深度（也有雷达显示为雷达波的渡越时间）。

3.2 天线的选择

探地雷达在不同探测介质中的探测深度不同，一般来说，在钾盐矿中的探测深度较浅，影响探地雷达的探测深度、分辨率以及精度的因素是多方面的，如探测对象所处环境的电导率、介电常数等因素，另外探测方法、所采用频率、采样速度等也对探测结果有所影响【6】。拉脱维亚ZOND-12e型探地雷达配备了两种低频天线（另有高频天线可选），分别为 150-75-38Mhz天线（非屏蔽、空气耦合）以及100Mhz天线（屏蔽、路面耦合），其中100Mhz路面耦合天线探测深度参考范围为 5～30m，受周围金属及用电设备干扰较小，150-75-38Mhz手持型空气耦合天线探测深度范围为 7～45m，易受周围金属和用电设备的干扰。在探测点周围无较大干扰源（主要为用电设备，测点钉头等）时，可选用较为方便的手持型空气耦合天线。通过前期的探测实验，合理的参数设置以及理想的探测环境，可使探测范围达到5～50m，能够满足生产探矿的需要。

3.3 测点布设及网度控制

确定探测目标地点后，由地质人员根据需要给出探测方位及探测间距，测量人员根据给出的方位和间距进行放点工作，放点完成后，还要对探测地点进行检查，主要是观察电缆等用电设备或钉头等金属物体是否与雷达测线测点有足够的距离，对可能影响探测效果的干扰物需进行清理或移动，难以移动的，要根据实际情况调整测线测点位置，最后进行探测。探测的网度要根据目标巷道内地质资料的掌握情况及坑内钻的布设网度确定，根据经验，一般每2个坑内钻之间布设2～3个测点可以很好的控制矿体变化，对于巷道前后未揭露顶板而附近又没有钻孔控制的位置，可以适当加密。

探地雷达资料反映的是地下介质体的电性分布，要把介质的电性分布转化为地质情况，必须要在充分了解矿区区域地质的情况下，结合钻探与雷达资料，建立合理的地质-地球物理模型，并以此作为雷达资料解释的基础，得到探测位置的地质情况。要掌握雷达波形在钾盐不同介质中的特征和了解雷达的探测效果，钻探资料与雷达探测资料的双向验证是行之有效的方法之一。

4 探地雷达对钾盐矿床探测效果验证

4.1 利用矿体已探明区域建立波形变化特征初始参数

为明确探地雷达在钾盐矿体中对不同岩性的图像特征，我们首先在已由坑内钻探矿完成的某探矿巷布设了探测点，测点位置选择在坑内钻孔口点，为尽量减少周围环境干扰以及巷道全空间响应的影响，我们选择了100Mhz路面耦合天线来做本次探测，介质参数设为干盐，共 8个测点，每个测点测深45m，探测距离为5m，探测方式为步进式连续探测，最后将其中 6个有效探测点的原始数据处理，雷达原始探测资料进行的处理包括滤波降噪，调整增益等，旨在优化数据资料、突出目标体、最大限度地减少外界干扰,为进一步解释提供清晰可辨的图像【7】。然后进行地质填图，并对比矿体纵剖面岩性变化位置与雷达波形图变化趋势，此处以其中第四个测点为例，得到了波形图及道检测资料（图3）。

图 3左侧为处理完成的输出视图，即以测点为起点前进5m范围的雷达波形剖面，横轴为探测距离，纵轴为探测深度，纵轴 0点位置即为雷达天线与巷道顶的接触面，波形的变化代表探测纵向范围内电性差异介质的界面；右侧为其中一点道检测图，对应左图中标记为 1的位置，代表该点处雷达波在一点处纵向上的变化，T为波形摆动跟踪，A为波的衰减曲线，道检测图能够清晰反映雷达波的相位振幅等变化，为正确读数提供清晰准确的依据。

图3 雷达探测剖面与道检测数据Fig.3 Radar detection profile and lane detection data

通过雷达波形图资料，判读道检测图可以看出，纵向0～22m左右，雷达波持续衰减，中间波形微弱的波动推测为钾盐中的小夹层或捕掳体，可忽略，这个范围可以认定为单一介质；明显的波形变化深度位于巷道顶22.55m处，此处波形振幅略微增大，相位发生突变，衰减变慢，并且对应输出视图上相应深度形成一个连续界面，推测此处应为介质变化界面；在深度为26.06m处波形振幅激增，相位发生突变，衰减降至几乎为 0随后变快并再次衰减，推测此处为另一个介质变化界面，且波形变化相较于上一个波形变化面幅度更大。

坑内钻为XY-2型小浅孔钻机施工，ZT探4孔施工倾角为+40°，根据岩心取样编录结果，并将孔深换算为纵向深度，可知光卤石钾石盐界线位于巷道顶22.59m处，钾石盐泥岩界线位于巷道顶25.97m处（图4），图4左侧即为坑内钻孔揭露的层位资料图，右侧为雷达探测层位深度与钻孔揭露层位深度的直观对比。对应雷达探测资料，其介质变化界面分别位于22.55m和26.06m处，与钻孔揭露岩性变化界面的深度基本相符，可以推断第一个雷达波形变化界面即为光卤石钾石盐界面，由于雷达反射信号的强弱取决于目标体与围岩的介电常数差异【8】，而两者介电常数相近，雷达波形变化较小；第二个雷达波形变化界面为钾石盐泥岩界面，此处波形变化剧烈也是由于介电常数差异较大导致的。同样的，我们对其他测点也进行了层位深度与波形对比，基本与上述情况相符，并以此作为通过雷达图像分辨层位的依据。但不同介质中具体的波形变化特征还需要我们在随后的探测工作中不断积累经验数据，以期通过波形图的读图准确判定矿体界线。

图4 坑内钻探揭露层位深度与雷达探测层位深度对比图Fig.4 Comparison between layer depth in pit drilling and radar detection layer depth

4.2 利用坑内钻孔对雷达探测结果进行验证

为进一步检验探测结果的准确性，我们选定另一处未施工坑内钻孔及其它探矿工程的巷道首先进行雷达探测，以30 m×30 m的网度布设测点，每个测点测深45m，探测距离为5 m，探测完毕后将数据处理整合，依据输出视图显示的矿体界线进行了地质填图。同时在测点相应位置安排施工坑内钻进行探矿工作，并根据钻孔岩心取样编录及化验结果，对该巷道矿体界线再次进行地质填图，最终比较两者所反应矿体界线的异同，图5为一段巷道的坑内钻孔与雷达探测资料的验证对比剖面图。

图5 坑内钻资料与雷达探测资料验证对比剖面Fig.5 Comparative profile of borehole drilling data and radar detection data

图5左侧为雷达探测完成后，根据探测资料得到的巷道及矿体纵剖面，数据的判读参照此前建立的不同界面波形变化特征；右侧为对应雷达探测点布设坑内钻施工后，根据坑内钻资料得到的巷道及矿体纵剖面。

通过地质剖面图的对比，在相同位置上，除雷达探测数据上岩性与品位不可判断外，两者对钾盐泥岩的层位分界基本吻合（本条巷道共20个雷达测点，11个坑内钻孔，对比数据不做列举）,这也验证了我们对雷达波形处理读取方式的可靠性；通过大量数据的对比分析，雷达探测的界面深度误差不超过0.5m，而生产中夹石剔除厚度规定为1m，也充分说明了钾盐矿床中利用探地雷达辅助探矿的可行性。

4.3 探地雷达辅助探矿的效果分析

探地雷达探矿的优点可以概括为以下几个方面：

（1）相比坑内钻层位界线直连的方式，探地雷达的探测数据更能反映实测段的矿体倾角及变化趋势，这就使得两者结合的探矿方式所反应的矿体界线更加符合实际。

（2）探矿效率高。小浅孔岩心钻机施工坑内钻效率平均为10 m /班次（8h），孔深达到30 m的钻孔至少需要 3个班的时间，而探地雷达对每个测点5 m距离的探测时间平均在5min左右，探测深度在纵向上可达到45m。

（3）探矿成本小。坑内钻的探矿成本包含用电人工以及每米工程费用，探地雷达由主机供电，除购进成本外，基本不产生额外费用。

（4）操作简便，灵活，时效性强。探地雷达的探测只需要设定参数进行数据采集，操作简单，也不需要像坑内钻探矿考虑钻机施工空间，对探测地点的要求较低，可以在掘进迎头进行超前探矿，及时发现顶板泥岩低洼点，满足及时指导施工的要求。

但探地雷达作为非针对钾盐探矿的探测工具，在钾盐矿床探矿工作中同样存在不足之处。例如，探地雷达虽然能够分清不同岩性介质的分界面，但对介质具体岩性不能确定，也无法取得矿石品位，还需要后期坑内钻资料对岩性和品位的补充；探测过程中易受周围环境影响，主要是用电设备，测点金属钉头等，另外探测对象所处环境的电导率、介电常数等因素也对探测结果有所影响；受雷达系统限制，在探测钾盐泥岩等不同介质体时，道检测图无法给出具体的参数变化范围，只有相对变化趋势做参考，为读图带来了一定的不确定性；光卤石与岩盐以及钾石盐三者介电常数相近，其层位分界面在雷达波形图上显示并不明显，需要结合坑内钻资料来具体判别。

5 结论

通过雷达探测与钻探施工的双向验证，运用探地雷达对钾盐矿床不同介质体的探测准确性较高，虽存在误差，但远小于生产要求的夹石剔除厚度，并且对不同介质体界面的波形变化也有规律可循。根据我们在生产中的运用来看，利用探地雷达在钾盐矿床中辅助探矿具有效率高，成本低，操作简单，使用灵活等优势。自矿山采用坑内钻与探地雷达辅助探矿相结合的全新探矿方式以来，不仅对矿区矿体的控制更进一步，并且随着使用经验的积累，原先的坑内钻探矿网度已经扩大了一倍，节约了近一半的探矿费用，随着探矿效率的提高，也进一步平衡了矿量储备，探地雷达能充分解决探矿边探边掘的问题，准确的把握巷道顶部矿体预留厚度，保障了生产施工的安全。由于技术及设备性能限制，雷达对钾盐矿床的探测不具有针对性，无法完全取代传统探矿手段，但坑内钻与雷达探测相结合的探矿方式值得我们不断研究。随着雷达技术的发展以及雷达在钾盐矿床探矿工作中的广泛应用，相信探地雷达设备和手段会在钾盐矿床的探矿工作中起到作用。

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