多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用

黄正均，张 英，任奋华，张 磊，黄志安

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

工程地球物理勘探越来越成为解决工程建设地质勘探问题不可或缺的高科技手段[1]。工程物探勘察方法众多，常见方法主要包括电法、磁法、地震法、弹性波测试、层析成像等，其中AGI高密度电阻率法和EH4大地电磁法均为应用广泛的电探法，比其他勘探手段效率相对较高，但这两种方法工作原理和适用性各有不同。AGI高密度电阻率法是一种使用人工电场源的阵列式探测方法，其具有勘测快速高效、信息丰富、浅层测量精度较高、抗干扰能力强等优点[2-4]。EH4大地电磁法有效地将人工电磁场和天然电磁场两种场源进行了联合，弥补了天然电磁场的不稳定性和干扰强、讯号弱等不足，既具备有源电探法的稳定性，也具备无源电磁法的节能性和轻巧性。EH4大地电磁法在我国尽管发展较晚，但由于具备勘探深度大、覆盖范围广和精度高等优点，在山地地区的矿山勘查和成矿探测中取得了良好的应用效果[5-7]。

本文以某露天矿为工程背景，该露天矿在开采过程中揭露的破碎带、节理裂隙发育带，在地下水、大气降水和开采工作扰动的作用下，容易导致滑坡、坍塌等灾害性工程地质问题。为此，为保证后续开采工作安全正常进行，通过将AGI高密度电阻率法和EH4大地电磁探测法相结合，综合两种物探手段的优点，对相关区域进行多手段物探研究，准确地探测出矿山边坡现场的隐伏地质情况，为矿山安全高效的开采提供了有力支撑[8-10]。

1 工程概况

某露天金属矿山矿区范围内发育次级断裂构造方向分别为：北北东向、北北西向和北西西向。矿区内地质构造错综复杂，岩浆活动频繁，地层出露很少。矿区范围内地层以不同时代花岗岩体为主。该露天矿矿体埋藏浅，延伸深度大，储量集中，共分为两个首采区，即为首采区1和首采区2(图1)。物探工作区主要为首采I区边坡的西区，区域属于丘陵地带且地势北高南低，地形起伏变化较大，相对高差274.5 m。区域内主要断层有F1、F3断层，矿区内岩体比较破碎。

2 多手段物探技术

2.1 AGI高密度电阻率法技术原理

AGI高密度电阻率法是根据岩(矿)石间的电性差异的不同，经观测研究人工电场在地下的分布规律特征，达到解决各种类型工程地质问题的目的。通过事先布置好的电极，向地下输入直流电来产生电场，并使用相关仪器进行观测，分析人工电场下地层电流的规律及其特征。最终能得到一个二维视电阻率断面的测量结果，以此推断出地下某个面状的相关信息，在此信息的基础上可以分析出深地地质体的类型及其状态，从而解决相关的地质问题。

构建地面下稳定电流场需要同时设置两个接地电极A和电极B，接地是为了使电源和大地构成电回路。而均匀大地电阻率的测定则需要另外设置两个测量电极M和电极N，见图2。

图1 矿区首采分区图Fig.1 First mining area map of mining area

图2 测量电极示意图Fig.2 Measuring electrode schematic

从图2可知电极M和电极N之间的电位差表达式，见式(1)。从而可知均匀大地电流场下电极M和电极N测量电极间的电阻率计算公式，见式(2)。影响非均匀电场的因素包括岩(矿)石之间互相重叠，以及断层裂隙互相交织等，因此，ρS计算公式见式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：K为电极排列系数，与测量装置方式有关；ΔU为电势差；I为电流；jo为电极M和电极N间的电流密度；ρ为各向同性均匀岩石的电阻率；ρS为视电阻率。

最后根据采集的电阻率数据，采用最小二乘法反演分析测区地层地质体的分布情况。

2.2 EH4大地电磁探测法技术原理

EH4大地电磁探测法是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然磁场信号作为激发场源，该场源是平面电磁波，垂直入射到大地介质中。利用大地岩(矿)石的电性差异，根据卡尼亚视电阻率公式(式(4))和趋肤深度公式(式(5))建立视电阻率随深度变化的情况，最终确定出大地底层构造特点及分布状况。

(4)

(5)

式中：ρ为视电阻率；f为频率；E为电场强度；H为磁场强度；δ为趋肤深度。

2.3 工作方法和流程

AGI高密度电阻率法有不同的装置形式，可以用来进行各种组合测量，常按以下步骤进行测量：首先针对要测量的工程范围及其大小设计合适的测量方式；然后进行现场布线，设点和测量；最后处理测量得到的数据并进行反演计算。

EH4大地电磁探测工作现场示意如图3所示。现场需布设X、Y两个相互垂直方向上的测量电极4个，同时布设相互垂直的磁棒2根，可表示为HX、HY，另布设接地电极和发射天线，以及连接主机。再根据地质情况和现场条件，选择合适的采样参数，进行数据采集，并现场确认数据是否有效，否则需排除干扰并重新采集，再更换下一个测点。EH4大地电磁探测测量步骤与AGI高密度电阻率法基本一致，故不再赘述。

3 露天矿边坡地质勘探应用

3.1 现场探测剖线布置

根据矿区待探测区域的具体地形条件，现场共布设探测剖线共6条，沿采坑内侧往外侧方向布置测线，每条测线均与露天境界线垂直。其中EH4实现6条测线全覆盖，AGI高密度电阻率探测选择其中的1#测线、3#测线和6#测线对其进行协同探测，测线现场布置图见图4。AGI高密度电阻率法探测采用6 m极距，单条剖线长360 m，电极数60个，设计探测深度50～100 m；EH4大地电磁探测共设计布点98个，每条剖线长500～600 m不等，极距30 m，设计探测深度100～1 000 m以内，与AGI探测深度进行了有效接合。

图3 EH4探测工作布置示意图Fig.3 EH4 detection work layout diagram

图4 探测区域测线布置图Fig.4 The detection line layout in detection area

3.2 AGI探测结果分析

数据处理采用后处理软件进行反演分析。导出DAT数据文件，对反演数据在XZ平面上进行网格化，利用二维分析处理软件进行相应的二维反演分析，并根据地质地球物理条件进行修正，以提高其精度。最后，对电导率数据进行成图处理，得到1#测线、3#测线和6#测线的地层电性图形，限于篇幅有限，仅以3#测线为例，见图5。

3#探测剖线位于西部矿坑的中部，剖线跨越矿坑最终边界线，探测剖线走向为东西向，西侧高，东侧低。由反演断面图5可以看出，东西两侧电阻率差异明显，东侧电阻率分布在600～4 000 Ω·m范围内，西侧电阻率分布在30～600 Ω·m范围内。结合现有地质资料及图5可知，东西两侧电阻率的差异是由于地层中存在构造导致，构造位于探测剖线中部，对应探测剖线所在位置推断构造在矿坑边界线附近，构造呈现北北西走向，倾角较陡，根据现有的地质资料，该构造与F3断层吻合，而且在该区域F3断层的宽度很大，约为70 m，断层表现为低阻体，并结合后期地质钻探和地表含水情况，推断该处断层内部为含水层。在探测剖线对应的250～300 m的位置存在一个低阻体，深度约30 m，同样结合后期地质钻探和地表含水情况，推断为地表含水层，对应矿坑边坡边界，该低阻体位于矿坑内。对应探测剖线位置及边坡边界线，断层位于矿坑内部，随着矿坑的开挖，断层与边坡会出现相交的现象，且相交位于边坡下部，对边坡整体的稳定性有很大的安全隐患。

图5 探测线采用温纳方法的二维反演断面图Fig.5 Two-dimensional inversion section of the detection line using the Wenner method

图6 探测线二维反演断面图Fig.6 Two-dimensional inversion section of detection line

3.3 EH4探测结果分析

EH4数据处理同样采用后处理软件进行反演分析。同样以3#测线为例，3#探测剖线位于西侧矿坑的中部，剖线跨越矿坑最终边界线，探测剖线走向为东西向，3#探测剖线位于与AGI高密度电阻率法探测剖线位置重合。探测反演深度为1 000 m，见图6(c)。结合现有地质资料及反演图可知：高阻区呈现“V”字形分布状态推断存在2组构造，其中反演图形西侧构造呈现北北西走向，倾角较陡，根据现有的地质资料与地表地形图，该构造与F3断层吻合，并与前述AGI反演结果对应一致；东侧构造呈现北北东走向，倾角较陡，根据现有的地质资料与地表地形图，该构造可推断命名为F4断层，并结合其余探测剖面反演结果，推断该断层的发育起点为矿坑西侧中部，位于冲沟东侧，向矿坑内部发展，深度约为600 m。该区域构造的宽度和深度很大，而且存在2组大的构造，其中推断次生构造也较发育，因此该区域边坡应该得到足够的重视。对应地表地形图，两组构造都位于矿坑内部，随着矿坑的开挖，断层与边坡会出现相交的现象，且相交位于边坡下部，对边坡整体的稳定性有很大的影响。

如图6所示，综合6条剖线反演图形整体进行分析可知：①图形中的高阻异常体呈现一定连续性，地层内构造具有连续性和完整性；②探测区域地层内存在2组构造，其中一组为F3断层，另一组为F4断层；③F3断层贯通矿坑西部，呈现近南北走向，切断了西部边坡，在西北部和西南部断层位于矿坑外侧；在矿坑西侧中部，断层位于矿坑内侧，随着边坡开挖，断层将与边坡相交于底部。因此，该断层对边坡整体稳定性影响很大；④F4断层发育起点在矿坑西侧中部，位置冲沟的东侧，呈现北北东走向，向矿坑内部发展，深度约为600 m。

通过二维反演断面图综合对比了AGI高密度电阻率法和EH4大地电磁探测法在异常地质构造位置的不同之处，AGI探测深度较浅且浅部勘探效果好，验证了F3断层所在位置的地质构造情况，而EH4探测深度较深，利于查明可能存在新断层的位置情况，工程中顺利探测出新的F4断层。最后通过勘探钻孔并结合勘探剖面图(图7和图8)验证了两种方法推测出的断层位置。两种物探方法综合使用，能够更好地查明矿区异常地质构造，再辅以部分钻孔勘探和现场踏勘进行验证，表明其在露天边坡探测工程中的应用效果显著，为金属矿露天边坡地质探测提供了一种快速、高效、高精度的勘探方法。

图7 23勘探线剖面图Fig.7 23 exploration line profile

图8 实验钻孔在11纵线剖面图中的位置Fig.8 Experimental drilling position in the 11 vertical line profile

4 结 论

综合应用AGI高密度电阻率法和EH4大地电磁探测法对金属矿露天矿山边坡异常地质构造进行了探测工作，应用结果效果较为理想。

1) 矿坑西侧存在一条贯穿整体边坡的断层构造，呈近南北走向，切断了西部边坡，对边坡整体稳定性的影响很大。在西北部和西南部断层位于矿坑外侧，边坡易产生滑坡现象，在矿坑西侧中部，断层位于矿坑内侧，但随着边坡开挖，断层将与边坡相交于底部，不利于边坡稳定性。

2) 查明了新的F4断层，发育起点在矿坑西侧中部，位置冲沟的东侧，呈现北北东走向，向矿坑内部发展，深度为600 m左右。

3) 矿坑中部构造的宽度和深度较大，且存在2组大的构造，其中推断次生构造也较发育，断层属于富含水区域，对边坡整体稳定性十分不利。