面波勘查技术在矿山地质调查中的应用

吴 东

（安徽省地质矿产勘查局三一一地质队，安徽 安庆 246000）

面波勘查技术是20世纪80年代兴起的一种新型地质勘查技术。随着近几年来相关资料解释理论和电子计算机技术以及设备硬件软件的不断发展完善，在传统面波勘查技术的基础上又衍生出了最新型的瞬态瑞雷面波勘查技术。该技术主要利用了瞬态瑞雷面波频散性和传播性与地质力学相关性质之间的内在关系和联动效应，进行工程地质勘查。与传统面波勘探技术相比，瞬态瑞雷面波地质勘查技术对工作场地要求小，使用简便经济性高且信号能量强，对地层分辨速度快且分辨率极高。目前，瞬态瑞雷面波技术可以有效解决大量工程地质问题，包括：工程地质勘查、工程地基压力测评、地下空间探测、岩土力学参数测评等，并取得非常好的效果[1]。

1 瞬态瑞雷面波离散曲线求取

图1瑞雷波原理图

在测量前，矿山地质勘查人员需要先使用炸药、重锤或者其他落重设备对地表进行施工作业，使作业点产生一定频率范围的瑞雷面波。瑞雷面波会沿地表或者其他传播介质进行大规模扩散。勘测人员需要在作业点附近沿着瞬态瑞雷面波扩散的方向，按照相同的间距离Y设立N个瑞雷波接收器，从而监测瑞雷波在（N-1）Y距离内的传播过程，详情如图1。

测量结果出来后，可以进一步计算频散曲线，设瑞雷波的频率为f1，其相邻两个瑞雷波接收器记录时间差为△t，相位差为△a，总长度为△X，该长度向内瑞雷波的传播速度为Vr；由此可以得出△X内瑞雷波的速度：

在测量范围内的平均速度为：

公式中的时间差（△t）需要实际测量确定，通过相应差△a可以通过求取信号来确定，通过公式（1）和（2）可以求出同一频率的速度值，也就能确定离散曲线[2]。

从本质上来看，瞬态瑞雷波勘测法最核心步骤就是获取不同频率下的面波向速度，通过其变化幅度，可以反映出不同岩土地质的条件特征，而同一频率的波长速度变化则可以反映出同一地质的水平变化特征。离散曲线的形态规律直接反映了当前地质条件，通过分析其联动关系，就可以解决矿山地质问题[3]。

2 瞬态瑞雷面波技术实际应用方法

2.1 地面设施布置

在实际勘测前，需要设立测量点M，把所有瑞雷波接收器按照相同间隔距离，均匀排放在M点对应两侧，间距离为△X。间距离的确定应该根据实际矿山地质勘查深度确定，深度越大、间距离也应该相应增加。瑞雷波接收器、到间距具体数值可以利用多次实验，进行最优选。就目前技术而言，间距离最大值需要小于40m，如果距离过长，有可能出现接收不稳情况。

2.2 瑞雷波信号接收

接收器和间距离确定后，即可进行瑞雷波信号的生成和接收。信号接收效果与瑞雷波生成频率和瑞雷波接收器频率有直接关系。对于0到5米左右浅层矿山地质调查必须激发高频瑞雷波信号，同时选取25到100Hz左右的高频瑞雷波接收器进行信号接收。对于地下30米左右的地质情况勘测，需要激发低频信号，使用10Hz左右的低频信号接收器。此外，如果地质探测深度小于15米，可以选择直接落锤或者500毫升左右炸药量进行瑞雷波激发。

2.3 信号数据分析

瑞雷波信号数据采集的精度可以直接影响到矿山地质勘探结果的准确性。根据实验探究可以得出，对于地质浅部测量，瑞雷波接收器的间距离为0.5米左右最优，记录长度为250ms。深层地质探测采样率可以选择为0.9ms，采样点数为256点，记录长度最好为1000ms。瑞雷面波选择全通滤波，可以有效避免矿山某些特殊地段对滤波产生的抑制作用，如果发现瑞雷面波记录质量较差，可以尝试变化敲击方法，直到可以采集清晰的滤波信号，保证信号采集成果。

3 瞬态瑞雷面波技术应用实例

为了实际检测瞬态瑞雷面波勘查技术的应用效果，以山东省蓬莱矿区为例进行实际勘测检验。山东蓬莱矿区是我国最大的金矿区之一，位于山东熔岩发育带上，地质较为复杂。为了探明某矿区的地质情况，进行实际探测。具体实验参数如下：信号接收器间距离15m，偏移距离5m、瑞雷面波由150kg重锤生成，地层上部为基面覆盖区。通过勘测可以确定，矿区地层从上到下可以划分为砂土层、卵石层、基岩层、石灰岩层、熔岩层。具体数据如表1所示。

表1 瑞雷面波勘查数据表

4 结语

瞬间瑞雷面波地质勘查技术的核心点有两个一是瑞雷波激发方式的选择，因为炸药的危险性、不可控性以及经济性等方面劣势，现代矿山企业对瑞雷面波激发方式更多选择的是重锤激发。其二是瑞雷波接收器的间隔确定，无论间隔过长还是过短，均有可能造成瑞雷波接收效果不稳定，从而影响勘测准确率。总的来说，瑞雷波地质勘查技术具有鲜明的适应力强、勘测效果好、图像分辨率高等特性，具有极强的推广研究价值。

[1]许新刚,岳建华,李娟娟,等．面波勘查技术及在滑坡地质调查中的应用研究[J]．地球物理学进展,2016,31(3)：1367-1372．

[2]陈实,李延清,张静,等．浅地表面波和纵波反射勘探方法的技术要点及进展[J]．西部探矿工程,2017,29，58(4)：165-167．

[3]王小明,席超强,胡泽安．应用面波法在混凝土表面测试条件下调查基岩特征[J]．山东工业技术,2016,19(4)：127-128．