高密度电法在勘探基岩裸露矿山的不良地质体中的改良与研究

2014-04-01汪楷洋庹先国刘明哲

中国矿业 2014年11期

汪楷洋,庹先国,张赓,李彬,刘明哲

(1.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059；3.西南科技大学，四川绵阳 621010)

对于我国许多露天开采的老矿山来说，矿山边坡的稳定性对于后期矿山的施工安全有着至关重要的影响，而对于边坡稳定性的评估，首先应该从地质上来认识边坡，传统勘探方法(钻探、槽探等)以点带面，常带来漏判、划分不准确、工期周期长等缺点[1-2]。随着地球物理勘探技术的发展，近几年来高密度电阻率法在对滑坡、隐伏断层等不良地质现象的勘察中已取得了良好的效果[3-7]，且相对于传统物探方法而言，高密度电法具有效率高、成本低、分辨率高等特点[8]。

本次勘探的矿山为攀枝花钒钛磁铁矿山，已经过近四十年的生产，进入深凹露天开采阶段，将来最终工程边坡高达555m，服务年限还有十五年多，为攀钢矿业集团铁矿主要来源之一，具有很高的经济价值。但近几年矿山边坡不稳定的现象及出现的病害给生产构成的威胁日趋严重，边坡整体的稳定性将直接影响后期施工的安全。而在边坡稳定性评价的过程中，详细准确的工程地质资料起着至关重要的作用。故现在对边坡进行相关地质勘查，从而对边坡整体稳定性做出分析评价，并及时跟进某些处治措施是十分必要的。但由于长年的开挖与爆破，工区地表为裸露基岩或碎石堆，这一特征会使本次勘察有别于传统的高密度电法勘探。

1 地质概况及地球物理特征

工区位于四川省攀枝花市东区兰尖铁矿露天采场内，在构造上处于康藏高原东缘，康滇地轴中段西侧边缘。矿区采用台段式开采，到现在已经行成了高约420m台阶状的高陡边坡。从已取得的地质资料来看，工区内地形受岩性及构造控制，为构造剥蚀地形，区域内主要组成岩体为大理岩、角闪片岩、细粒及细粒流层状辉长岩、粗粒辉长岩、铁矿体等5个岩组。边坡下盘岩体内主要发育有两类结构面，即原生结构面和构造结构面。原生结构面是指软弱夹层及泥化夹层等，主要存在于辉长岩与大理岩的交界面，分析其物性特征认为它对边坡稳定危害极大；构造结构面是指断层、构造节理等。矿区断层发育程度相当高，且由于矿区长年的爆破与开挖，造成的边坡裂隙也十分发育，对边坡稳定性影响不容忽视。

据已有资料和一般岩土视电阻率经验值统计分析，各地质体视电阻率值统计见表1。由表1可知，各地质体间存在一定电性差异，具备开展高密度电法的地球物理条件。

表1 不同介质电性分布情况

2 针对于基岩地表的方法改进

高密度电法的普遍应用区域的地表一般为松散的第四系覆盖层，野外数据采集只需将铜电极竖直插入地表并保证电极与大地接触良好即可。但本次勘察区域由于长年受开挖与爆破施工影响，地表以裸露基岩和碎石堆为主，电极难以插入地表。因此，针对于此类地表特征，制作了一种特殊的接地辅助装置：采用上下均有开口的桶型塑料模具，且下方开口的直径在15cm左右，上方开口的直径比铜电极的直径略大即可(可选用较大塑料瓶、塑料桶，剪去下底)，在模具中填充浇灌了盐水的湿润泥土并压实，测量时将装满土的模具直立压紧放在测点位置，使桶中泥土与地表接触充分，然后再插入电极，以此完成相关野外数据采集。

为了验证该接地辅助装置的可行性与有效性，分别用传统接地装置与辅助接地装置布设了两条测线，两条测线点距与有效电极数一致，用传统接地装置布设测线的地表为松散的第四系覆盖层，用辅助接地装置布设测线的地表为裸露基岩，两条测线地形均为水平且所在位置相距不足0.5m，以保证两条测线下方的地质情况基本一致。实验采用了温纳、偶极、微分三种常规排列装置进行数据采集，由于三种装置的对比结果基本相同，本文就只例举温纳装置的成果对比图(图1)。

图1 接地实验测线温纳装置成果对比图

由图1可以得出以下结论。①两条测线电性剖面的高、低阻异常区域的形态大小和分布位置基本保持一致。证明了辅助接地装置不会造成采集数据的畸变和错误。②在高密度电法勘探中，接地电阻过高会导致在反演剖面图中视电阻率值偏低[9]，导致低阻异常程度被加强，而高阻异常程度被削弱。在两条测线的0～70m段，采用传统接地装置的反演图中接地电阻较高，而采用辅助接地装置则有效的减小了接地电阻，且采用了辅助接地装置的测线的20～40m段的低阻异常区域与45～70m段的高阻异常区域的异常程度都得到了有效的还原，使异常程度更趋近于真实。③该装置可多次重复使用，且布设采集装置快速，相对于传统的接地装置能很大程度上缩短野外布设测线的时间，提高野外工作的效率。

总的来看，本次实验验证了辅助接地装置的可行性与优越性。证明了该装置可以投入用于现场高密度电法的勘察工作。

3 工作方法及技术要求

高密度电阻率法的工作原理与常规电法完全相同，可进行二维地电断面测量，兼具剖面法和测深法的功能[2]。结合现场实际情况本次勘察共布设11条高密度电法测线，野外施工选择重庆地质仪器厂生产的DUK-2A型高密度电法测量系统来完成野外原始数据采集工作，并根据不同装置的实测效果[10-12]，采取温纳(α)、偶极(β)、微分(γ)三种装置进行综合勘察，且11条测线的数据采集均使用了辅助接地装置辅助采集数据。高密度电法反演使用软件为瑞典ABEM 公司的RES2DINV二维电法处理软件。数据处理包括：坏点剔除、滤波、网格化以及最小二乘法二维反演，最终得到电阻率等值线断面图[13]。

4 成果解释

由于矿区长年爆破施工造成的裂隙发育以及矿区磁铁矿在整个边坡的不均匀分布且对围岩侵染程度不一，矿区底部部分区域有地下水出露，这些情况都将对整个物探工作的成果解释造成一定程度的影响，因此在做最终成果解释时，需要结合已有地质资料(如钻孔资料，地表勘察资料等)作出综合解释，才能保证最终结论的准确性与可靠性。且由于现场地形及施工条件的限制，本次只对于测线所在位置的浅部进行了勘察。

本次勘察共布设高密度电法测线11条，三种装置反演成果基本一致。本文只选取异常较为典型或对边坡具有较大意义的3条测线的温纳反演剖面图进行分析解释，并综合物探成果与钻孔、槽探等相关地质资料推测出测线所在位置的浅部简易地质剖面图。

图2为1号测线的温纳剖面反演成果图。1号测线位于边坡底部，测线点距3m，长度270m，有效电极数90。

从图2可以看出，本条测线勘探深度为35～40m，其电阻率变化范围主要集中在0～104Ω·m。两种装置电阻率剖面电性分布基本一致，测线视电阻率横向差异明显，分布不均。测线前端48m处的有明显低阻异常，视电阻率小于10Ω·m，但由于受现场开采施工影响，未能将测线前端延长以增大对异常体的勘探深度，但与原有地质资料和地表勘察综合来看，推测为矿区内的Ⅰ号富水断层，断层倾向为NE向，倾角约80°，破碎带影响宽度4m左右。至于其他浅部的低阻异常区域推测为含水裂隙。测线130m处深部至测线末端浅部存在一处厚度约10m的高阻薄层，结合现场岩性出露情况推测该高阻层应为大理岩层，而测线160～240m处高阻层上部出现的薄层低阻异常应为角闪片岩软弱夹层(ω6)的电性反映，浅部阻值相对略高的区域应为辉长岩体。图3为1号测线的地质解释剖面图。

图4为2号测线的温纳剖面反演成果图。2号测线位于边坡上部(海拔高程1598m)平台上，测线总长为112m，点距1m，有效电极数112。

从图4可以看出2号测线勘探深度约为16～18m，其电阻率变化范围主要集中在50～104Ω·m。反演剖面大部分区域为视电阻率在100～400Ω·m之间的低阻带，由于该测线在边坡上部，富水性差且地表裸露的基岩含铁量较高，因此推测为受磁铁矿侵染的辉长岩。测线有两处高阻异常区域，其中测线尾部浅表层的高阻异常推测为干燥的碎石堆，而反演剖面12m深度以下的高阻区域推测为大理岩，并根据电性层分界线划出了辉长岩与大理岩的交界面(图4中黑色曲线)。图5为2号测线的地质解译剖面图。

图6为3号测线的温纳剖面反演成果图。3号测线位于采场底部西侧，测线长342m，点距3m，有效电极数114。

从图6可以看出测线勘探深度近60m，其电阻率变化范围主要集中在0～103Ω·m。在测线的150～190m处存在一条明显的近垂直条带状低阻异常带，视电阻率<20Ω·m，且异常体延伸至剖面底部，破坏了原有电性层的连续性，推测为矿区内的II号富水断层，断层倾向近NE，倾角近垂直约80～90°，破碎带影响宽度近30m，为矿区内的最大规模断层之一，对于边坡稳定性有着极大的影响。近地表的低阻区域推测为含水裂隙。其他区域的视电阻率比较均匀一致，最高视电阻率低于1000Ω·m，推测为辉长岩。图7为3号测线的地质解释剖面图。

此外，对其他8条测线也做了同样的分析解释，并通过与相关钻孔等地质资料的相互验证。共查明了矿区内7条隐伏断层、1处软弱层(ω6)、1处辉长岩与大理岩的岩性交界面的位置及其浅部的地质特征。7条断层均具有一定规模、富水性佳、破碎程度高；软弱层存在于部分岩性交界面中，顺坡向，易发生滑坡。这两类构造对边坡的稳定性都有着十分重大的影响。