微动探测技术在尾矿坝勘察中的应用

肖 刚，罗华国，张 星

（1.甘肃省有色地质调查院，甘肃 兰州 730000；2.中陕核工业集团二一一大队有限公司，陕西 西安 710000）

目前，多项传统物探技术在工程上取得了良好的应用，成果包括：等值反磁通瞬变电磁法、高密度电阻率法、地质雷达、浅层地震等［1］，这几种方法各有技术特点：（1）等值反磁通瞬变电磁法受场地电磁环境和散落的浅埋金属物干扰，无法在多机械、多电缆、多金属物等干扰因素多的复杂场地进行有效探测；（2）高密度电法具有野外施工方便，分辨率高、效率高的优势，勘探深度一般为剖面的1／4～1／6，并且严格要求接地电阻符合规范，场地硬化和建筑物遮挡等场地条件可能会受到使用限制；（3）地质雷达分辨率较高，野外使用便捷，对于硬化场地较为实用，勘探深度较浅（3～7 m），多用于浅部空洞和病害探查；（4）浅层地震勘探也会受地质条件所限，以及震源能量不足而导致勘探深度较浅，且数据采集时对场地周边噪声环境有严格要求，限制了其适用范围。

微动探测技术是一种无损伤、效果显著的地下空间地球物理探测技术，无需人工震源激发，不受工业电磁场、浅层高速层、低阻高导层屏蔽作用影响，对场地条件适应性强，更适用于复杂环境，可用于城市地基、路基空洞调查，地基岩土介质物性分层调查，溶岩勘探和病害地质体调查，基岩埋深与隐伏地质构造勘查。

1 工作区概况

调查区为某矿区尾矿坝，位于两山之间的夹沟中，两边坡度为25°左右，坝体主要由尾矿粉和碎石土互层堆积而成，堆积最大厚度为30 m，基底为钙质板岩与泥质板岩互层。由于年代久远，填埋复杂，场地测试时发现地下填埋很多金属物并且坝体上密集覆盖铁丝网，浅层地震能量衰减太快，达不到有效深度，钻探工作因堆积体弹塑性的缘故，也难以施工。由于坝体排水系统出现故障，局部富水导致坝体变形，亟待解决排水并稳固坝体。

为了能够合理地查明整个坝体具体富水情况以及积水通道。本次剖面测线主要以“井”型布置。东西布设3条测线，南北布设4条测线，共计7条测线，NS线点位控制在每一级台阶上都有布设，点距不等（0～20 m），WE线点位以20 m等间距布设，有效控制坝体横向与纵向富水深度和范围。

测区内主要地层岩性为尾矿粉与碎石混合层、板岩层。根据场地试验参数结合已知地质资料，确定调查区内波速范围，见表1。

表1 调查区内不同地层横波速度范围

由表1可见，测区内各层之间的横波速度存在明显差异，特别是含水和密实的尾矿粉与碎石土混合物横波速度差异起到关键性作用，也是本次勘探工作的首要条件。

2 微动勘探原理

地球表面任何连续微弱的震动信号都可以成为微动勘探的天然面波信号场源［6］。根据信号来源不同可以分为两个大类：低频信号（≤1 Hz）和高频信号（＞1 Hz），低频信号由潮汐、海浪、水流、气压变动、风动等自然条件引起；高频信号为人类活动，车辆船舶行驶，机器运行等活动产生的机械振动［2］。

微动是由体波（P波和S波）和面波——瑞雷（Rayleigh）波和勒夫（Love）波组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70%以上［2］。所以常常利用微动中的瑞雷面波信息来研究地下横波速度结构。根据面波频散原理，波速会随着频率和波长的变化而变化，随着频率降低而传播深度变大。

微动勘探就是从这些天然场的微动信号中提取出瑞雷面波的频散特性，通过反演曲线推测地下介质横波速度的分层结构。连续测量剖面上各点的数据并反演计算横波速度，然后进行网格化处理得出横波速度拟断面图。

目前，微动勘探面波频散曲线提取方法主要有两种：空间自相关法（SPAC）和频率－波数法（FK）［3］。F－K法对台站摆设没有特殊要求，而SPAC法要求台站为嵌套圆形，如图1所示，一般嵌套圆形层数越多，结果越准确［4］。

图1 微动野外测站布设示意图

SPAC法有利于采集各个传播方向上及不同波长的微动信号，相对于F－K法，提取信号时频率丰富且收敛度高，可以获得更多的勘探深度大的低频信息［5］。

3 成果解释

本次微动数据采集使用合肥国为电子有限公司研制的GN209型远程实时智能微动系统。GN209型微动设备为北斗授时无电缆节点采集站，外业工作时基于4G网络，可实施远程数据传输，监控，智能评价等。

本次工作确定技术参数为［6］：1 Hz检波器三重圆10通道接受，R1＝2 m、R2＝4 m、R3＝8 m，采样率为250 Hz。

3.1 单点解释

选用靠近钻孔ZK6的NS－3线的9号点进行单点解释。根据地质钻孔资料0～9.4 m为尾矿粉，9.4～15.4 m为碎石土，15.4～16 m见板岩，12.4 m见稳定水位。碎石土和尾矿粉波速在200～500 m／s之间，板岩波速大于500 m／s，含水以后波速还会进一步减小。横波波速在9.4 m处出现不连续现象，如图2所示。12 m左右出现波速不稳定且不连续。15.4 m处出现波速突变，可以看出微动探测对界面反应明显。

图2 ZK6点微动探测频散曲线解释

3.2 典型剖面解释

NS－2线位于工区中部，为南北走向，剖面长为90 m，共采集11点，查明工区富水区域深度和纵向边界。

NS－2线横波波速等值线解释成果图如图3所示，低速层和高速层连续，随着深度增加，波速变大。1至6号点波速相对较低，小于300 m／s，6至11号点3 m以上为松散堆积层，波速小于300 m／s，3 m以下为密实堆积层，波速在300～500 m／s之间，在11号点大概15 m处，波速大于500 m／s，发现基岩。

图3 NS－2线横波波速等值线解释成果图

3.3 综合解释

本次共完成7条测线的综合解释工作，根据富水后堆积物横波波速特性界定区域，拟判定横波波速小于300 m／s为富水区域［7］。富水深度最深处可达28 m，富水区横截面都呈梯形，浅部相较于深部东西延申更宽。

以每条测线富水低速区探测点（如图4所示网格区域）为参考，经平面投影圈定富水坝体区域，并呈梯形（如图4所示线条框定区域）。根据WE－3和WE－2线反演断面得出地下深度20 m处出现积水通道（箭头虚线），富水面积达到坝体的3／5，南部基本没有富水，比较稳定，坝体中部和北部富水严重并引起坝体蠕变［8］。

图4 调查区综合解释成果图

为了分析坝体富水随深度的变化，用现有数据进行三维反演作图，并对4个深度进行XY平面切片，如图5所示。随着深度的增加，横波波速增加，富水面积在逐渐向坝体北部减小。

图5 调查区富水区域深度切片图

为了进一步解决富水体积及空间位置问题，对本次数据进行3D建模，如图6所示，设置横波波速小于300 m／s为假定边界条件，依据这个条件进行等值界面绘图来进行定位体积及位置。富水区域东西宽度133 m，南北长度为40 m，估算平面富水面积为5 320 m2，估算富水体积为63 840 m3。

图6 调查区3D成果解释图

4 结 论

1.应用结果表明：调查区内，主要富水为坝体北部，随深度增加，富水体积为梯形。吸水以后的尾矿粉堆积体变软膨胀，弹塑性较高，坝体护坡为接近30°，由于重力作用和膨胀作用，导致坝体碎石堆积层出现剪切裂缝和拉张裂缝，危害极大。结合钻孔资料查明了富水区域范围及深度，及已经发生变形的区域。

2.在微动探测技术中，根据采集信息提取测点的频散曲线，计算等效的横波波速并绘制切面图，也可用单点频散曲线一维反演来代替部分钻孔，节省成本。

3.本次微动探测效果明显，可用剪切波速划出富水区域，同理可运用于矿山环境，城市地灾，道路勘察等领域。