管波探测法在地质勘察中的应用

2019-03-04李建松

世界有色金属 2019年22期

李建松

（华刚矿业股份有限公司，刚果民主共和国科卢韦齐）

管波探测法是利用钻孔中“管波”这种特殊的弹性波，来探测钻孔附近一定范围内的溶蚀裂隙、溶洞、软弱夹层等不良地质体的一种孔中物探方法。采用集成收发器探头在孔液中激发产生管波，接收并记录孔边岩土及孔内液体衰减反射后的振动波，来探测孔周一定范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育分布情况，查明钻孔周边一定范围内的地质情况、评价地层特征，用以指导基桩设计及其它土建施工[1]。其有效探测半径可达2米左右。管波探测法具有可靠性高、精度高、异常明显、分辨率高、施工周期短、解释容易、仪器设备投资少、探测成本低等优点。

1 理论基础

根据弹性波理论和波动传播空间的不同，将弹性波分为体波和界面波两类。体波包括横波（剪切波）和纵波（压缩波）等，它们在无限空间或半空间中传播。界面波包括瑞利波、斯通利波和勒夫波等，它们只在波阻抗界面附近传播。当两种相互接触的介质分别为流体和固体时，流体的振动会产生沿界面传播的界面波，称为广义的瑞利波。在充满液体的孔内及孔壁上，广义瑞利波沿孔的轴向方向传播，这被称为管波。管波有两种常见的类型：斯通利波和准瑞利波（或称伪瑞利波）。管波探测方法中使用的波动是斯通利波。管波具有波散现象，在横波波速高于流体纵波波速的介质（高速介质）中，斯通利波有轻微的波散现象。在低频端，斯通利波的相速度和群速度都接近孔内流体的纵波波速的0.9倍。在高频端，斯通利波的波速趋于围岩中的横波速度。准瑞利波具有明显的波散特性，当它的频率低于某一特定值时，准瑞利波几乎不存在，在这个频率下，它的速度等于围岩的横波速度。在充满液体的硬岩钻孔中，最低频率约为10kHz。因此，准瑞利波具有低截特性。在高频端，准瑞利波的波速趋于围岩中的剪切波速。图1为斯通利波和准瑞利波的频散特性曲线图。从图中可见，当频率低于10kHz，准瑞利波就不存在了。根据实测的管波数据，管波频率在100Hz～5000Hz范围内，仅有斯通利波存在。

图1 广义瑞利波频散特性

在斯通利波沿钻孔轴线传播过程中，能量衰减缓慢、频率变化较小。经过一定距离的传播后，管波的能量仍然很强，管波的频谱与波源的频谱基本相同。图2为实测的管波记录，图中可见，管波的孔底反射和岩面反射经过近17ms的双程旅行其能量和频率基本没有明显变化，孔底及岩体层间反射明显。

图2 实测管波记录

管波的传播过程在波阻抗差异界面处产生反射，其反射界面通常为：孔径发生变化处、液固分界面、孔底、孔壁岩土层波阻抗差异界面等。

管波探测法正是利用波阻抗差异界面的反射，来探测孔旁岩溶及软弱夹层。存在管波反射的位置，必定存在波阻抗差异，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁围岩异常界面，通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。

2 工程实例

下面是管波探测法在某矿山的地质勘察应用实例，如下图3所示，管波探测数据能够与钻孔资料较好的吻合。

图3 钻孔资料与管波探测数据对比图

根据管波探测数据70m～88m：白云质泥岩，夹白云质砂岩层，该段岩石坚硬程度、岩体完整程度大体上分布均匀，在79m附近，岩体完整程度发生变化，从测试波形图上看，出现轻微界面反射；88m～90m：岩性以白云质泥岩为主，混白云质砂岩薄层。该段裂隙发育，岩体完整程度低，其上下界面均出现了清晰的反射波。随着地下水淘蚀作用，该段落有进一步发展为空洞的可能；90m～96m：白云质泥岩，局部砂质成分沉淀为薄层状。该段岩体完整程度较好，但因泥质胶结强度不高，岩石坚硬程度不高。从测试结果上看，反射波形规律性好，但清晰度稍低；96m～98m：该段为空洞，充填砂质及泥质碎屑，充填程度低。在洞体的上下部位，均出现了界面反射，其中下部界面处白云质成分增多，岩石坚硬程度降低，反射波较上部界面清晰度稍低；96m～101m：由白云质砂岩变化为石英砂岩，由化学胶结变为硅质胶结，岩石坚硬程度及岩体完整程度提高，管波的反射波形清晰；101m～105m：空洞。在空洞下部充填有泥质成分。该段反射波基本消失，仅下部有轻微反射迹象。空洞上下界面反射清晰；105m以下：石英砂岩。砂岩粒由硅质成分胶结，岩石坚硬程度及岩体完整程度较高，反射波波形清晰，规律性好。钻孔DW-7-3仅在102m～103m揭露空洞，揭露范围不及管波测试结果全面。