环境保护理念下的矿山水工环地质勘察技术研究

2021-06-30吕相伟

世界有色金属 2021年7期

刘垚，吕相伟

（中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁锦州 121000）

环境保护这一理念近年来越来越受到人们的关注，它是生态文明建设的必然趋势，同时也是促进社会、经济、文化可持续发展战略目标实现的关键。近年来，工业化和城市化进程不断加快，在不断的经济发展过程中也带来了环境污染问题，水污染、空气污染等问题日益严重，为了提高生活质量，改善生态环境，政府、国家大力提倡开展环境保护工作，并且将环境保护理念引入到各个行业领域中，尤其是采矿业。在矿产行业发展带动下，矿山水工环地质勘察工作和矿产开采工作正在全国大面积积极开展，由于矿山水工环地质勘察工作具有一定的危险性，并且使用的勘察技术和勘察设备操作不够规范，施工单位环境保护意识较差，导致在地质勘察过程中会对矿山水文地质造成一定的破坏，从而引发水工环地质灾害[1]。近年来，矿山水工环地质勘察过程中水工环地质灾害频发，比如涌水、坍塌等，带来严重的社会损失和经济损失[2]。造成这一问题的主要原因在于目前现有的勘察技术在实际操作中对矿山水工环地质造成损害性较大，尤其是对地质较复杂的矿山环境中，更是加大了水工环地质灾害发生几率，因此传统技术已经无法满足矿山水工环地质勘察需求，为此提出环境保护理念下的矿山水工环地质勘察技术研究。

1 环境保护理念下的矿山水工环地质勘察技术设计

1.1 确定矿山水工环地质勘察对象

在确定矿山水工环地质勘察对象时，要考虑到当前环境保护的大背景，以环境保护作为开展勘察工作的前提条件。为在最大程度上减小地质勘察对矿山周围环境造成的损害，应当对勘察过程中容易引发地质灾害的因素进行合理处置，水工环地质灾害的发生主要与矿山地下水压、水位、水量等因素有关。将地下水压不稳区域与矿山水工环地质作为共采式地质勘察对象，对二者进行统一勘察。

此次利用共采式地质勘察手段确定矿山水工环地质勘察对象，可以在勘察过程中对地下水位、水压、水量合理控制。共采式地质勘察的具体施工方案为：首先利用绿色勘察技术，将针对矿山地下水的钻孔沿矿层走向进行均匀布设，并在矿山顶板环状裂缝位置上，进行对其地质的实地勘察。由于钻孔的数量对于矿山水工环地质勘察结果有着直接的影响，因此假设矿山地形水量为12.48～24.88m3/t，则矿山矿层厚度应当超过5.5m。通过钻孔对矿山水文地质条件进行勘察，确定各个区域水文地质条件，在开展矿山水工环地质勘察工作时尽量避开地下水条件不稳定区域，将其不列为矿山水工环地质勘察对象。

1.2 矿山水工环地质勘察资料采集及野外勘察

在明确勘察对象后，还需要对矿山水工环地质勘察资料进行收集，提取到的各项勘察资料进行整合。充分了解矿山历史勘察资料、勘察深度、勘察方法等信息。通过利用可视化技术，将历史资料展现，并对重要内容进行详细标识，减少在勘察采集资料过程中浪费的时间。在环境保护理念下开展矿山野外地质勘察项目主要涉及到对矿山整体地形、地貌特征、岩层分布等方面。野外勘察的具体步骤为：首先，对矿山的地质情况进行分层式勘察，并将勘察记录输入到相应的数据库当中；其次，在野外勘察时，也应当结合绿色勘察技术中优化后的钻探方式，对处在特殊地质条件的地层利用钻孔设备进行勘察，并对钻孔后得到的勘察结果进行统一编录；再次，对上述提取的野外数据信息进行复位测试，按照矿山水工环地质勘察的实际要求，对复位测试参数设定，并将结果进行规范化处理，整理成一组完整的野外勘察信息；最后，完成静力触探试验，利用基础勘察技术，将不同型号、规格的探头按照均匀的速度对矿山的岩石进行挤压，根据探头受到的不同阻力，确定不同矿山地层的地质条件。

1.3 矿山水工环地质三维空间探测

通常情况下矿山水工环地质地层一般为粉质土和碎石土为主，这两种土质的纵波波束Vp在1200-1500m/s内，并且矿山水工环地质基岩通常为页岩，中风化页岩的纵波波束Vp在2400～3500m/s，微风化页岩的纵波波束Vp在3800～4500m/s，未风化页岩的纵波波束Vp在4800-5500m/s。此外矿山水工环地质深部的岩体发育区纵波波束Vp在1200～1500m/s，水体的纵波波速在1000～1100 m/s，各个地质之间有明显的波束差异，因此根据矿山水工环地质勘察需求。完成矿山水工环地质勘察资料采集及野外勘察后，结合环境保护理念，为了尽量避免在地质勘察中对矿山地质造成破坏，本次采用跨孔弹性波CT技术对矿山水工环地质三维空间进行探测，跨孔弹性波CT技术是一种无损探测技术，在操作中不会对地质环境造成损坏，此次结合野外勘察资料，利用该技术探取矿山水工环地质三维数据信息，其探测过程如下。

根据实际情况以及探测需求，本文采用型号为LOKPS2S1型号跨孔弹性波CT扫描仪作为探测设备。首先利用HIS62地质岩芯钻机利用回转方式对确定的矿山水工环地质勘察对象地表进行钻孔，为了更加精准的获取到地质三维空间数据，钻孔之间的间距要比较小，通常情况下根据实际情况而定，在5.5m～7.5m之间，钻孔的孔径大小控制在100mm～130mm之间，钻孔的深度在35m～55m范围内，为了避免对地质造成损坏，在钻孔过程中需要进行注水，利用水降低钻孔产生的延误和对地质的摩擦。孔成之后将直径为75mm的聚氯乙烯套管护壁放入孔内，以供跨孔弹性波CT扫描仪工作使用。

钻孔完成之后，选取两个比较近的钻孔作为弹性波CT发射钻孔，跨孔弹性波CT扫描仪通过激发高频弹性波，向探测地质进行扫描；然后选择另一侧的钻孔作为弹性波CT接收钻孔，跨孔弹性波CT扫描仪内置传感装置，利用传感装置接收到地质反射回来的弹性波信号。

1.4 矿山水工环地质勘察数据分析

跨孔弹性波CT扫描仪采集到的数据均是弹性波相关数据，若要通过对这些数据了解到矿山水工环地质空间位置以及裂隙发育情况，需要对三维空间探测数据进行处理和分析。首先将勘察区域离散成若干个规格的网格单元，将地质三维空间探测数据导入到网格单元中，形成网格化模型，用公式表示如下：

公式（1）中，ti为矿山水工环地质离散区域网格化模型，即第i条弹性波射线的走时；dij为第i条弹性波射线穿过第j个网格的长度；n为弹性波射线数量；m为矿山水工环地质离散区域网格化模型的网格数量；v为弹性波的速度；(x,y)为弹性波射线的路径。利用联合迭代方法对上述公式进行求解，可以得到每一个小方格内的地质弹性波慢度值，并分别取其倒数即可得到钻孔间岩体分布情况，利用上述公式绘制出各个离散后矿山水工环地质三维空间模型图，将所有离散后的区域水工环地质三维空间模型图融合到一起，就形成了矿山水工环地质三维空间分布图。

2 实验论证分析

实验以某矿山为实验对象，该矿山面积为2642.26m²，矿山地质土层为粉质黏土、碎石土等，存在波速差异，实验利用此次设计技术与传统技术对该矿山水工环进行地质勘察，获取到该矿山水工环地质信息。实验中通过对该矿山进行共采式地质勘察，确定了25个勘察对象，8处地下水水压、水位不稳定区域，未列为勘察对象；通过对该矿山进行野外钻探勘察，获取到562MB矿山地质资料；根据该矿山实际情况，对确定的勘察对象区域中共布设了36条测线，开展跨孔弹性波CT扫描测量，每个测线各布置12个钻孔，钻孔孔深为750-1150m，每个钻孔进行至少三次测量，测量数据选取三次测量数据平均值。跨孔弹性波CT扫描仪测量到的水工环地质信息量为1564MB，利用KHU软件对测量信息进行处理，并绘制了矿山水工环三维地质模型。实验随机抽取七处区域水工环地质勘察数据作为实验数据，利用PIH软件分析到该五处地质勘察结果的一致性系数，一致性系数表示勘察结果与实际值相似程度，两个数值越接近则一致性系数值越大，该数值是检验勘察技术精度的有效指标，其取值范围在0-1之间，实验将其作为实验结果，对两种勘察技术进行对比分析，实验结果如下表所示。