工程物探技术在矿山岩土工程勘察中的应用研究

夏志永

（广西基础勘察工程有限责任公司，广西 南宁 530000）

随着社会经济发展对矿产资源的需求不断提高，矿山工程也在过程中得到不断发展，对勘探技术的要求也越来越高。工程勘探技术是水工环地质勘探的重要方法，具有勘察范围广泛，成本较低的特点，能够使勘察人员较为详细地了解岩土情况，因此在岩土工程的勘察工作中应用较为广泛[1]。

在实施矿产资源的勘探与开采工作前，需要对矿山进行大量工程地质勘察，其中包括了对矿区岩土组成、结构等方面的勘察，其中，确定基岩覆盖层的厚度是勘测地下矿体深度的前提，因此岩土勘察是岩土工程建设中非常关键的环节，总结工程地质特征，对今后的勘察设计工作有着重要的现实意义[2]。

由于地下地质条件复杂，使勘察人员在实际探测中根据不同地质特征选择不同的探测设备，而传统方法只从自身探测角度出发，对数据进行处理及解译的勘察结果往往与实际情况有着一定的偏差，工程物探技术种类众多，根据研究区域的地质条件和特征，本文将工程物探方法与钻探资料相结合，研究本文方法的工程勘察效果。通过对矿山岩土工程的勘察结果的分析与研究，能够对相似地质环境下的矿山岩土工程勘察提供一定的参考依据。

1 工程物探技术在矿山岩土工程勘察中的应用

1.1 基于工程物探技术布置工作面

在矿山岩土工程建设区域范围内，矿山工作面包含地面本身以及各类地面设施。为了实现对矿山工作面各组成部分相互协调的布设，引入工程物探技术对其工作面布设进行设计。在地球地壳表面中，经过各种地质作用在基岩上的堆积物称为覆盖层，覆盖层大部分都是岩性松散的状态，受多个因素的影响，使地下沉积层产生了不同的结构和岩性。覆盖层的探测包括对厚度及分层的探测，根据不同的勘察目的，选用的方法也有所差异。针对本文勘察矿山岩土工程的需要，本文选用高密度电法进行勘察，高密度电法将地质勘探技术与计算机技术进行数字化结合，综合了电剖面法和电磁测深法，能够完成纵横向的断面测量[3]。在现场施工过程中，本文结合已有的地质资料，对地下地质体范围和勘探深度进行了解，选择合适的电极距，由于本此勘探深度较为中等，因此通过一次布设。在测线的布置中，注意测线边界在研究区域的有效勘探范围内，布设时尽量使同一列的电极保持平直的角度。安置多路垫板转换器，设置50根电极，将50根电极与电极转换器进行连接。在对勘察工作面上各个测点进行布置时，根据矿山岩土工程实际规模，将测点设置数量控制在10个～20个范围内，每两个测点之前的距离相差应当在25cm～35cm范围内，针对每一个测点，分别设置三个不同方向上的测线，并且测点的方向是固定不变的，分别为斜向上45°、平行、斜向下45°（方向可根据实际勘察需要进行适当调整）。在完成上述布置内容后，还需要对矿山岩土工程勘察工作面整体进行布置，确保工作面能够满足实际勘察需要，并且能够在不破坏周围生态环境的基础上，为勘察工作提供更便利的条件。

基于此，在进行工作面的整体布置时，需要结合矿山岩土工程项目所在区域内的矿床分布数据、矿区地形信息、水文地质信息、气象信息等进行综合分析，以此确保勘察工作面布置具备更高合理性。

1.2 采集岩土数据

岩土数据的采集将运用最新的分布式高密度电法仪，使用温纳装置进行断面扫描测量，获取所测未知的电位分布。测量电极的选择与转换是高密度电法最重要的技术，本文选用的仪器通过转换开关完成这一操作。温纳装置在测量过程中，电极自西向东移动形成剖面线，在同一位置进行多次测量，这种方法能够应对干扰较大的区域，在测量前设置预置周期次数就可以进行多次测量，同时，预置终止条件，允许接入最大接地电阻，能够简化测量过程[4]。土质对工程的勘察具有重要的影响，如果土壤过于疏松，使承载力较差，也会对勘察结果产生一定影响。

本次勘察选取具有代表性的岩土样品25份，结合已有地质资料，对数据进行处理与解译。除此之外，在具体勘察的过程中，还可引入CR1000型号数据采集装置，这种采集装置在众多数据采集器当中具有更高的性价比。利用该型号数据采集装置提供的测量、时间设置、数据压缩等功能，辅助勘察工作岩土数据采集更顺利的进行。同时，该型号数据采集装置在运行过程中的扫描速率超过100Hz，并且在该装置上包含了多个用于模拟输入、脉冲计数、电压激发等连接端口，可通过12VDC外界充电电池完成供电。同时，由于勘察环境普遍存在复杂影响因素，并且所处环境恶劣，因此一般采集装置无法实现稳定运行，但CR1000型号数据采集装置能够充分适应低温和高温环境，根据实际需要，在勘察的过程中也可以选择低温型或高温型CR1000-XT/CR1000-XF型号数据采集装置，进一步提高岩土数据工作的可靠性。

由于实际勘察过程中会涉及到众多的岩土数据类型，因此选择CR1000型号数据采集装置还基于其具备4M数据和程序存储空间，可以直接通过外界存储设备以及CF存储卡实现对海量勘察数据的存储。

在勘察工作中，对岩土数据的采集具体操作步骤为：首先，在上述布置的工程物探技术工作面上，完成对各个勘察电信息的编辑，将上述选择的分布式高密度电法仪和CR1000型号数据采集装置设置在各个勘察孔孔口位置上，待GPS装置能够发射稳定的信号后，点击“定位钻孔”按钮，并完成对各个孔口的定位。其次，在完成钻孔操作后，还应当对其进行拍摄。拍摄的内容主要包括：勘察工作场景拍照、钻机拍照、提钻录像、岩芯拍照等。在每一个钻孔的第一次记录时，都需要对钻进的整个过程进行拍摄，以此进一步反应钻井的方式。在后续的记录过程中，若钻进方式没有发生改变，则可以不在继续拍照。在对岩土描述记录时，需要对从钻孔当中获取到的岩芯进行拍摄，要求岩芯的长度应当超过1m，并按照从上到下的摆放顺序放在岩心管当中。在岩心管的周围需要设置标尺、分层标签等，确保在拍照记录时能够清晰辨认。最后，在完成上述所有勘察数据采集的工作后，将数据上传。在进行描述和记录的过程中，均可以通过传输软件对每一次描述和记录附加相应的GPS数据以及时间数据，因此不需要针对每次获得的数据进行实时传输，只需要在有无线通信网络覆盖的区域再上传数据即可。利用数据传输软件自动上传每一个钻孔当中的第一个数据信息，包括钻孔信息输入、孔口定位等。

同时，为了避免在数据上传的过程中出现损坏或丢失的问题，在对数据进行传输时，需要按照钻孔时的顺序进行上传，因此确保数据的完整性，为勘察作业提供更加可靠的数据依据。

1.3 数据处理勘察岩土覆盖层

由于在实际勘察工作开展的过程中常常会存在异常数据，严重影响勘察结果的精度，因此针对上述获取到的岩土数据，还需要对其进行处理。

首先，明确异常的数据分为两种情况，一种为缺失异常数据，一种为行为异常数据。前者通常是由于在采集过程中数据存在丢失导致，再细化可分为照片异常收据、录像异常数据和技术数据缺失异常数据，共三种类型。后者是在勘察的过程中由于存在不合规范的操作行为而造成数据异常的类型，可再细化分为报告异常数据、位置异常数据和时间异常数据等类型。结合勘察数据的重要性，对异常程度进行划分，分为轻微异常、一般异常和严重异常共三种类型。针对不同异常类型数据，三个异常等级对于不同的具体内容。以位置异常数据为例，其轻微异常、一般异常和严重异常分别对应的情况为，轻微异常：在相同钻孔结构当中，位置出现偏移，且偏差超过200m的部分数据占总数据量的15%；一般异常：在相同钻孔结构当中，位置出现偏移，且偏差超过200m的部分数据占总数据量的25%；严重异常：在相同钻孔结构当中，位置出现偏移，且偏差超过200m的部分数据占总数据量的50%，或最大偏差已经超过500m的勘察数据。

除此之外，除了上述针对异常数据类型处理以外，在采集到岩土数据后，需要对所有勘察数据进行预处理，剔除突变点或虚假点。

由于在实际探测过程中受到电极及不确定因素的干扰，产生一定的与实际不符的数据，因此需要将数据进行预处理。若接地电极效果不好则会直接影响电流源大小，会出现读数不稳定或发生错误的情况。通过滤波处理法对实测数据进行处理，剔除虚假点或突变点，在相邻的两个数据断面会存在着一定的重叠部分，需要取重叠部分数据的平均值，在剖面方向做平滑处理，是两个断面之间能够平滑过渡，接下来将每个数据部分拼接进行整体反演[5]。在实际的勘察中，由于地形起伏不同，使其对岩土探测的视电阻率的异常形态与位置有所偏差或变形，因此在数据反演后，还要将数据进行合理的地形校正。

2 工程应用效果分析

工程物探方法对矿山的地下地质情况的勘察效果较为明显，不同的工程物探技术对数据进行不同的处理，其结果也存在着一定差异。当工程项目受场地条件限制，实施时间较为紧迫时，就需要选择最有效的方法减小勘察数据的误差，达到理想的工程地质效果。本文根据实际研究区域的覆盖层地质资料，将本文方法与传统方法进行对比，分析其应用效果。本文选取5号测线的反演结果，结合地质资料进行地质覆盖层推断，具体结果如图1所示。

图1 推断剖面图

由图1可知，根据本文方法进行解译得到的高密度推断剖面图，测线长度为90m，覆盖了6个钻孔，研究区域内的矿山岩土层分为四层，各电性层具有较大差异，第一层是覆盖层，主要为杂填土，视电阻率范围在0～15Ω·m，厚度范围在1m～1.5m之间，第二层为粉砂层，视电阻率范围在25～80Ω·m，厚度范围在4m～8m之间，第三层为卵石层，视电阻率范围在15～45Ω·m，厚度范围在3m～5m之间，第四层为基岩。由此看出覆盖层厚度大概为4.5-8米左右。将本文方法与传统方法数据进行对比，其不同方法对覆盖层深度的勘察数据具体如表1所示。

表1 实际深度与不同物探方法探测结果对比表

由表1可知，本文方法在15号钻孔的勘察结果与实际深度一致，对10钻孔的勘察结果误差最大，为0.5m，本文方法勘察结果的平均误差为0.2m。传统方法在7号钻孔的勘察结果最佳，与实际深度相差0.4m，在2号钻孔的勘察结果误差最大，为0.9m，传统方法勘察结果的平均误差为0.57m，本文方法与传统方法的勘察结果相比，平均误差少了0.37m。因此，本文方法的勘察结果与传统方法的勘察结果相比，更为接近实际深度，说明本文方法更适用，具有有效性。

3 结束语

本文通过对工程技术在矿山岩土工程勘察中的应用研究，对岩土覆盖层厚度进行了探测，通过与其他物探方法与收集资料进行对比分析，证明了本文方法的有效性，取得了一定的研究成果。

但由于时间和勘察条件的限制，本文研究还存在着诸多不足，如对矿山岩土地层的变化规律及特性没有进行深入分析，在进行数据采集的过程中，对于抗干扰的处理还需要加强，使勘察结果的精度进一步提高，在探测流程上还应加强与规范，优化对岩土工程勘察与质量控制等环节，推动工程建设的相更加科学严谨的方向前行。