基于高密度电法的露天矿边坡地下水渗流通道探测技术应用

2023-08-07庞永利赵景龙

中国煤炭地质 2023年6期

庞永利，何滔，赵景龙，解俊

（1.内蒙古美基建设有限公司，内蒙古呼和浩特 010000；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头 014010；3.内蒙古地质测绘有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

边坡问题一直是困扰露天矿山的矛盾性问题［1～3］。边坡过缓，剥岩量增大，企业生产成本提高；边坡过陡，稳定性变差，安全问题突出。在众多影响边坡稳定性的因素中，地下水对于边坡稳定性的影响最为复杂。假若边坡富水严重，未能及时疏干排水将会严重影响后期边坡的稳定性，易造成滑坡［4，5］。高密度电法作为国内外新近飞速发展起来的一种工程勘察方法，在灾害防治、工程和环境调查等领域均有较好的应用前景［6～10］。在边坡和地下水探测方面，不少专家学者开展了系统探索。闫亚景等通过使用高密度电法结合时域反射技术反演和分析了边坡介质地下水的分布特征和迁移规律［11］。谢世英等提出了高密度电法探测、地下水防治和边坡稳定性分析的模式实现对边坡地下水害问题的防治［12］。沙振海与张继锋利用滑面上下电性差异较大的特征采用高密度电法对滑面进行了准确探测［13］。徐启业等在利用高密度电法和钻孔查明了滑体特征基础之上采用极限平衡法对滑体的稳定性进行了评价［14］。王永增等采用高密度电法对齐大山铁矿西帮涌水问题进行了探索，探明了涌水相关的四条断裂构造［15］。从以上文献可知，国内将高密度电法用于滑坡勘察中取得了较佳的实际应用效果，但多数研究往往关注于滑面和岩性特征，而对地下水渗流引起的边坡稳定性问题研究很少。本文根据研究区边坡地下水渗流对边坡稳定性构成严重威胁这一现实问题出发，在可能渗漏源头的尾矿库积水区一侧开展高密度电法以探查可能的渗漏通道，并利用三维可视化与切片提取技术对电阻率异常体进行三维分析，以便为露天矿边坡防治提供可靠依据。

1 研究区概况

本次边坡高密度电法探测区位于内蒙古包头市，研究区地势比较平坦，属华北干燥大陆气候。区内断裂构造较多，岩体相对较为破碎，边坡问题已逐渐成为矿区的安全隐患。根据野外踏勘和现场地质资料分析，该露天矿中东坑地下水对边坡威胁十分严重，在降雨量丰沛的季节，边坡和采场地下水问题尤为突出。当前最为严重的区域有两处：其一为矿区东北角边坡岩体与上覆第四系土层交界面有大量水体涌出，其涌水量随降雨量的增加而增大；另一处为中东坑结合部边坡易于失稳。

2 高密度电法原理及探测方案

高密度电法基本原理与传统的电阻率法总体一致，方法上综合了电阻率法和电测深法［16］。在野外实施时是将所有电极一次全部布置在测点上，然后采用多路电极转换器自动控制供电电极和接收电极实现对地下不同深度地质体电阻率的测量（图1）。因此，高密度电法相对传统电阻率法所利用的电极数量较多、观测类型种类也更为灵活方便，可以灵活快速获取地下大量的电性信息。

图1 高密度电法原理示意图（以温纳法为例）Figure 1 Schematic diagram of the principle of high density electrical method（taking the Wenner method as an example）

研究区内第四系土层主要为砂土与粉土的互层，电阻率值多小于300Ω·m，下覆基岩面主要为石英岩，其电阻率随着风化程度和地下水的影响，电阻率值在600～2 000Ω·m。基岩面上下具有较大的电阻率差异，为开展高密度电法探测提供了良好的地球物理基础。

本次高密度电法探测工作选择在采坑边坡北部与尾矿库之间的区域进行。根据现场踏勘，渗水区多沿边坡基岩面渗漏，基岩面埋深约30m。区内大气降水极少且离地表河流沟谷较远，仅在露天采坑北侧存在一较大的尾矿库积水区。因此，初步预估尾矿库积水可能自北向南沿基岩面渗流。结合现场施工条件和地质情况，垂直可能的渗漏通道布置了高密电法测线5条，共计1 180 m（图2），测线号分别为1-1’、2-2’、3-3’、4-4’、5-5’。观测装置类型采用温纳法，测线电极数均为60，除测线3-3’与4-4’受现场施工场地的限制电极间距为3m 外，其余测线电极间距均为5m。

图2 测线布置示意Figure 2 Schematic diagram of survey layout

3 地质解释与三维可视化分析

本次高密度电法的反演采用了最小二乘法进行反演，通过修正地电模型的电阻率以减少正演与野外采集电阻率之间的误差最终实现迭代收敛。

图3 为测线1-1’最终反演的高密度电法剖面，从该图中可以看到该测线电阻率总体呈上低下高的变化趋势。在高程约1 630m 以上区域电阻率小于300Ω·m，分布不均，初步推断为受地下水渗流的影响的第四系风化土层；该层之下电阻率相对较高，整体性较好，初步推断该区域为较为完整的基岩，基岩面总体向西倾斜。

图3 测线1-1’高密度电法剖面Figure 3 Line 1-1’high density electrical method profile

图4 为测线2-2’最终反演的高密度电法剖面，在高程1 630m 以上区域电阻率相对较低，小于300Ω·m，初步推断为受地下水渗流的影响的第四系风化土层；该层之下电阻率相对较高，整体性较好，初步推断该区域为基岩。进一步从横向对比可以看到，在桩号50m 处存在一条带状低阻，倾角较大，与测线2-2’推断的低阻异常区域平面为断层破碎带的延伸方向一致。自桩号140m 以西区域，基岩面逐渐变深，总体向西侧倾斜。

图4 测线2-2’高密度电法剖面Figure 4 Line 2-2’high density electrical method profile

图5 为测线3-3’最终反演的高密度电法剖面，从该图中可以看到该剖面浅部存在局部的高阻团状异常，后查看现场采集班报，该异常为地表存在大量孤石所致。在中间区域1 630m 以下存在一相对高阻体，总体电阻率与临近测线3-3’的基岩电阻率稍有减小，可能为该测线下方基岩受尾矿库长期积水渗流的影响使得岩体节理裂隙富水，从而造成该测线电阻率整体降低。

图5 测线3-3’高密度电法剖面Figure 5 Line 3-3’high density electrical method profile

图6 为测线4-4’最终反演的高密度电法剖面，该剖面电阻率相对其他测线电阻率明显降低，电阻率整体小于800Ω·m。后经与矿方技术人员分析，该剖面靠近尾矿库现有积水区，电阻率的整体降低可能表明尾矿库的长期积水已渗漏到下部基岩裂隙中。

图6 测线4-4’高密度电法剖面Figure 6 Line 4-4’high density electrical method profile

图7为测线5-5’最终反演的高密度电法剖面，从该图中可以看到在桩号130m处存在一明显凹陷，两侧电阻率等值线出现明显异常，根据矿方提供的露天矿已有地质揭露情况推断可能为断层破碎带的延伸，该区域与东部边坡地下水渗漏位置基本一致。

图7 测线5-5’高密度电法剖面Figure 7 Line 5-5’high density electrical method profile

在对各测线剖面初步分析基础之上，为了更进一步查明边坡渗漏通道，在反演的高密度电法数据基础之上通过克里金插值方法构建了三维电阻率数据体（图8），从图8 可以看出三维电阻率数据体自上而下明显分为两层，上部电阻率较低可能为含水的第四系；下部电阻率较高，可能为相对完整的基岩。图9 为根据三维电阻率数据体提取的基岩面起伏形态三维可视化图。从图9 中可以看到基岩面总体呈东高西低的起伏形态，尤其值得注意的是基岩面东侧区域有个小凹陷，这给地下水的渗流提供了良好的汇流空间。西侧虽地势高，但第四系土层较厚，基岩面呈西低东高的形态，尾矿库的水顺着基岩面向西渗流。

图8 高密度电法三维数据体Figure 8 High density electrical method 3D data volume

图9 基岩面起伏形态三维可视化图Figure 9 3D visualization of bedrock relief morphology

图10 为根据图9 三维基岩面起伏形态对基岩顶面进行坡度坡向计算后获得的基岩面起伏和地下水流向图。图11 为对高密度电法三维数据体提取的1 630 m 水平切片以便进一步分析地下水渗漏的运移规律。从图10 和图11 可以看到，位于北侧的尾矿库积水由北向南沿基岩面渗流，随着基岩面的起伏形态总体有两条路径：