综合物探技术在矿山地质勘探中的应用

2021-11-28庄溶山陆俊杰

中国金属通报 2021年5期

吴昊，庄溶山，陆俊杰

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京 210000）

综合物探技术就是将集中物探技术进行有机整合，并借助现代电子信息技术加以创新，实现远程数据反馈，能够对更深的矿山地质进行更加精确的评价[1]。在我国采矿深度越来越深的背景下，综合物探技术因此勘探精度高、适合深矿井等优势，近几年在采矿行业发挥了重要的作用，有着良好的应用前景。

1 综合物探技术的技术优势及应用范围

1.1 技术优势

综合物探不仅能够对矿山浅层的地质环境进行勘探，获取精确的参数，还能够对不同深度、不同地形的地质环境开展勘探，并获取稳定的参数结果，完成从浅层的地下2m到深层的地下数百米的勘探工作。此外，这种技术还能够适应各类地质环境，且操作简便，勘探的周期不长，所使用的技术及设备也都是来自现有的常用物探技术，成本也不会很高，并能有效满足不同精度要求，对不同地质环境的都能取得令人满意的勘探效果，促使采矿企业能够快速、准确地掌握地质情况，为后续的采矿工作提供有价值的参考。

1.2 应用原则

综合物探是将传统的物探技术的相结合，包括常规的测绘以及钻探等，将常用的技术相结合所衍生出的综合性技术，其实质上并没有什么过于高端、昂贵的新科技。这种综合的勘探方式能够将不同物探方式实现优势互补，弥补了单一方法的局限。在勘探时应当要按照先地上后地下的原则进行操作，层层向下递进[2]。首先在地面上的勘探要按照先钻探然后再物探的原则，通过钻探收集地质信息，取得地质样品进行分析调查，并将分析结果进行整理及反馈。之后再进行地下的勘测工作，在地下部分，要将物探和钻探技术相结合，并利用现代电子信息技术将收集到的结果及时远程反馈。最终结合地面，和不同深度的勘探参数得出综合的结果反馈。

1.3 应用范围

由前文所述可以看出，综合物探法就是将常用的物探、钻探技术和现代电子信息技术相结合，来勘测不同深度地质的物理性质，并收集各深度的勘探数据，对矿山地质的岩层特性以及构成、密度等开展综合分析。其应用范围大致可包括以下几个方面。

（1）矿山水文地质勘探。目前应用综合物探技术进行矿山水文地质勘探时最为常见的，主要是利用水质的导电性和岩层的地磁场进行勘探[3]。开展这种途径的综合物探，旨在了解矿山的水文地质条件，根据勘探结果安排采矿方案，预防事故发生。

（2）矿山隧道勘探。因为我国地势西高东低，中部及西部分布着大量的山脉高原，其中蕴含着储量丰富的矿产资源。但是这些地区近年来加快了交通建设步伐，修建了很多交通隧道。为防止矿采开采工作破坏了交通隧道，就需要在采矿之前对山体内部的隧道进行勘探。可用的方法有TSR法、红外探测法以及红外探水法和长距离TSP法等，在采矿前和采矿过程中不断探测，避开交通隧道，避免对交通造成影响。

（3）地质灾害探测。自然地质灾害看似是突发的，实际上通常地质灾害发生前，其地质内部就出现了变化，只是肉眼从表面看不到，这就可以通过综合物探技术对频发自然灾害的地区，或者是因采矿导致地质环境受到破坏，存在一定灾害风险的区域进行早期探测，及时发现内部的变化，从而及早预防。

（4）考古探测：综合物探技术对于考古工作也有一定帮助。因此这种技术能够有效探测地下深部的物理性质以及内部构造，帮助发掘地下墓葬。这种方式能够在避免对文物造成破坏的基础上，有效探明所在位置。

（5）复杂地质环境下的矿山深部勘探。目前单一的常用勘探技术对于地质复杂的深部勘探都不能够取得满意的效果，而综合物探能够通过几种技术的优势互补，实现对复杂地质的深部勘探。比如笔者曾经看到一处锌矿勘探的相关资料，概况地层包括上三叠系的白云岩、凝灰岩以及砂页岩和灰岩等，但矿产地岩却少有露头，并被厚度在5m～10m的浮土所覆盖。对于这种情况，勘探人员通过集中方法整合，首先采用电阻率中间梯度法、激发极化法还有自然电位法等，得到相关参数及图像，再选择异常清晰以及异常复杂的地质剖面作深部的剖面勘探。以TEM法掌握测区深部地质物性特征，并对地质体进行半定量解析，综合分析得出锌矿的矿体所在深度及其顶部宽度等参数。

2 综合物探中的几种常用技术

综合物探是将目前常见的物探技术相结合，选择的技术和组合的方式并不唯一，具体的方案设计还要结合矿山当地情况，以及勘探质量的要求来设计，以下就例举综合物探中的集中常用物探技术。

2.1 瞬变电磁法

这种技术在综合物探中十分常见，这种技术也被简称为TEM，是利用电磁的物探法。在实际应用中，TEM技术利用地内矿体的导电和磁功能存在的差异性，以电磁感应为理论依据，掌握勘探范围中的电磁变化，从而在勘探时及时判断可能存在的地质情况，为之后的采矿方案的制定，以及可能出现的问题制定应对措施[4]。比如通过瞬变电池技术，能够在勘探中有效探明矿井采空区域的积水所在位置，对于之后采矿方案的设计具有重要参考，是目前矿山水文地质勘探工作中的一种常用技术。在综合物探中加入TEM，能够利用其技术优势，扩大勘探面积，利用瞬变电磁所具有的烟圈效应，实现对测区情况进行较大面积的掌握。

2.2 矿井直流电法

因为矿山地质环境十分复杂，对于矿山地下水文的检测十分关键。通过矿山直流电法能够进行井下大空间的勘探。借助矿产岩石的不同电性进行勘探，以全空间电场理论为核心，对矿井下的水文地质进行综合分析。比如在矿井巷道底板的结构勘探以及富水层的勘探，巷道迎头部分的结构以及富水性探测都可以运用此种技术。

2.3 探地雷达法

探地雷达又称GPR，这种技术在实际运用过程中十分灵活，能够多种地质条件实现有效的探测，提高综合物探的适用范围。这种技术在应用时因其操作工序简单，并能够进行短时间的多次检测，得到了勘探工作者的重视，并常见将其纳入到综合物探的工作中。此外，勘探的速度快，非常高效，并能够满足多种常见地质的检查标准，并且能够实现无损检测，使这种技术得到了广泛青睐。

3 综合物探的主要流程

3.1 测线的设置

综合物探的测线布置决定了采集信息的所在区域，勘探主要是以测线划分范围，在这范围中勘测土壤的相关参数信息，比如硬度、厚度、稳定性等相关信息。同时在布置测线时，还要根据对系统进行定位。具体的设置要结合矿山勘探区域的实际情况，结合图纸数据，以及实际被测范围。经过综合确定最佳的测线设置位置，为之后的勘测工作提供有利先决条件。

3.2 物探相关参数的设计

勘探人员应当对相关参数进行科学设计，比如道数参数就要全面贴合矿山的勘探需求，对道数的布置进行合理确定。此外，还要对各重点的参数信息进行收集与评估，比如矿山所在区域的湿度参数、水文、环境等相关参数内容做好把控。此外还要考虑能够对勘探精度造成影响的因素都有哪些，并对这些因素加以有效控制。比如在激震参数方面，除常规的设计思路外，还应考虑到期间可能存在的影响因素。根据规范，要保证落重深度控制、锤击深度设、炸药的震源等都控制在设计的阈值范围内，全面切合勘探要求。其次是要考虑综合物探过程中的操作工序及方法。这要考虑土质环境的自身因素，不同土质下的操作方法是不同的，要结合矿山当地土壤相关参数来设计操作的方法。从土壤的参数来看，如果是较为松弛土体，那么应当采用频率较低的激发参数。如果土壤参数显示土体较硬，那么激发参数建议选择中高频率。这种方式考虑了其激发操作和土体性质的平。最后还应考虑垫板以及标准尺寸的相关设置，从而保证物探过程中的激震控制在合理范围内。

3.3 间距优化

勘探的间距设计也是在综合物探工作中需要考虑的一项重点，要保证间距满足矿山地质勘探的要求。具体的设置要结合矿山实际情况，以及所采用的物探技术。此外，勘探工作者还要考虑到能够影响精度的负面影响情况，预留出一定的误差空间，在合理的范围内安排间距的设置。

4 案例分析

4.1 工程概况

DG矿井位于山西省，地势为丘陵，可见明显程度的地势起伏，最高点位于东北方，最低点则在西南方。矿山以煤矿为主，煤层分布比较稳定，普遍深度在40m左右。根据现有地质资料可以看出，矿井区域的断层裂隙呈明显的发育状态，且地下水丰富，结合实际情况，所采用的技术以瞬变电磁法为主，并配合地震勘探法，对矿区的水文地质情况进行综合物探。

4.2 地震勘探

通过地震反射波可在测区西部测到明显的波组特征，对矿区各测点结果进行交点闭合，能够看到主采煤层可见连续的反射波，波组特征明显。在其他测线的范围中有的区域能够看到波动，而有的区域则缺失波段。整体呈现零散波组。结合采用的瞬变电磁法，判断波组凌乱的地区属于陷落柱的地质情况。而可见明显搓动扭曲的波组的部分，结合当地以往的地质资料，判断属于断层结构。

4.3 瞬变电磁勘探

选择瞬变电磁法和地震勘探剖面重合的测点进行重点分析，在瞬变电池法下能够看到地面标高60m异常呈中—低—中—低特征的等值线，这是丘陵地区煤矿矿山的典型表现。地面标高不足60m的视电阻率其横向均是均匀状态，这个灰岩的勘探特征相吻合。在标高约0m的位置，可见一些测点见到电阻率异常的情况，认为这是陷落柱的地质结构。在地面标高超过60m的部分，能够看到一些测点的电阻率异常，且出现低阻异常，推测这一部位应当是断层富水区，采矿时应尽量避免这一区域。

4.4 综合物探结果解释

本工程通过综合物探共判断存在一个陷落柱，5个富水区以及23个断点，其中断点在勘探区的各个位置均有分布。对断点进行组合与进一步勘探，共判断存在7条组合断层。并基本探明了勘探区域的断层以及富水性质。陷落柱区域的富水性明显强于其他部位，但请他部位也存在较大的中等富水层，水源为灰岩岩溶水。将矿探结果和以往勘探相关质料相比对，本次综合物探和钻探、以往勘探结果基本相符。证明了本工程采用的综合物探是可行的。