多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用

       __作者简介 ： 黄正均(1985 - ) ，男 ，硕士 ，工程师 ，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作 ，E‐mail ：huang_jun .0518@ 163 .com 。通讯作者简介 ： 张英(1988 - ) ，男 ，山西原平人 ，博士研究生 ，主要从事岩石力学与工程方面的研究 ，E‐mail ：ccuummttdd@ 163 .com 。引用格式 ： 黄正均 ，张英 ，任奋华 ，等 .多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用[J] .中国矿业 ，2019 ，28 (1 ) ：129‐134 .doi ：10 .12075/ j .issn .1004‐4051 .2019 .01 .021多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用黄正均1 ，2 ，张 英1 ，2 ，任奋华1 ，2 ，张 磊1 ，2 ，黄志安1(1 .北京科技大学土木与资源工程学院 ，北京 100083 ;2 .北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 ，北京 100083)摘 要 ：为确定露天矿山边坡地质体的地下分布和形态 ，采用多手段物探方法(AGI 高密度电阻率法和 EH4 大地电磁法)对露天矿山边坡进行了地质探测研究 ，充分利用 AGI 高密度电阻率法的抗干扰能力强 、浅层测量精度高和 EH4 大地电磁法探测深度大 、覆盖范围广的优点 ，较为准确地探测出矿山边坡地质构造情况 。 结果表明 ：该矿区西部边坡赋存两组大的断层构造 ，且构造带较宽 ，次生构造也较发育 ，富含水区域面积大 、深度较深 ，对矿山边坡的整体稳定性具有不利影响 。 探测结果可为后续矿山开采设计和安全生产提供有力保障 。关键词 ：高密度电阻率法 ;大地电磁法 ;地质勘探 ;边坡稳定中图分类号 ： P631 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1004‐4051(2019)01‐0129‐06

Application of multi‐method geophysical techniques in geological exploration of open‐pit mine slope HUANG Zhengjun 1 ，2 ，ZHANG Ying 1 ，2 ， REN Fenhua 1 ，2 ，ZHANG Lei 1 ，2 ， HUANG Zhian 1(1 . School of Civil and Resource Engineering ， University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083 ，China ;2 . State Key Laboratory of the Education Ministry for High‐Efficient Mining and Safety of metal Mines ， University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083 ，China) Abstract ： In order to investigate the underground distribution and morphology of open pit mine geological bodies ，multi‐method geophysical methods (AGI high‐density electrical method and EH4 electromagnetic surveying method) are used to conduct geological exploration on open pit mine slope ，making full use of that the anti‐interference ability is strong ，and the shallow measurement accuracy is high of the AGI high‐density electrical methods ，and the EH4 electromagnetic surveying has the advantages of large depth of detection and wide coverage ，and the geological structure of the mine slope is accurately detected .The results show that there are two large fault structures in the western slope of the mining area ，and the structural belt is wide and the secondary structure is relatively developed .The water‐rich area is large and deep ，which has an adverse effect on the overall stability of the mine slope .The detection results can provide a strong guarantee for the subsequent mining design and safe production . Keywords ： high‐density resistivity method ; electromagnetic surveying method ; geological exploration ; slope stability

工程地球物理勘探越来越成为解决工程建设地质勘探问题不可或缺的高科技手段[1] 。 工程物探勘察方法众多 ，常见方法主要包括电法 、磁法 、地震法 、弹性波测试 、层析成像等 ，其中 AGI 高密度电阻率法和 EH4 大地电磁法均为应用广泛的电探法 ，比其他勘探手段效率相对较高 ，但这两种方法工作原理万方数据中 国 矿 业 第 28 卷和适用性各有不同 。 AGI 高密度电阻率法是一种使用人工电场源的阵列式探测方法 ，其具有勘测快速高效 、信息丰富 、浅层测量精度较高 、抗干扰能力强等优点[2‐4 ] 。 EH4 大地电磁法有效地将人工电磁场和天然电磁场两种场源进行了联合 ，弥补了天然电磁场的不稳定性和干扰强 、讯号弱等不足 ，既具备有源电探法的稳定性 ，也具备无源电磁法的节能性和轻巧性 。 EH4 大地电磁法在我国尽管发展较晚 ，但由于具备勘探深度大 、覆盖范围广和精度高等优点 ，在山地地区的矿山勘查和成矿探测中取得了良好的应用效果[5‐7] 。本文以某露天矿为工程背景 ，该露天矿在开采过程中揭露的破碎带 、节理裂隙发育带 ，在地下水 、大气降水和开采工作扰动的作用下 ，容易导致滑坡 、坍塌等灾害性工程地质问题 。 为此 ，为保证后续开采工作安全正常进行 ，通过将 AGI 高密度电阻率法和 EH4 大地电磁探测法相结合 ，综合两种物探手段的优点 ，对相关区域进行多手段物探研究 ，准确地探测出矿山边坡现场的隐伏地质情况 ，为矿山安全高效的开采提供了有力支撑[8‐10] 。 1 工程概况某露天金属矿山矿区范围内发育次级断裂构造方向分别为 ：北北东向 、北北西向和北西西向 。 矿区内地质构造错综复杂 ，岩浆活动频繁 ，地层出露很少 。 矿区范围内地层以不同时代花岗岩体为主 。 该露天矿矿体埋藏浅 ，延伸深度大 ，储量集中 ，共分为两个首采区 ，即为首采区 1 和首采区 2(图 1) 。 物探工作区主要为首采 I 区边坡的西区 ，区域属于丘陵地带且地势北高南低 ，地形起伏变化较大 ，相对高差274 .5 m 。 区域内主要断层有 F1 、F3 断层 ，矿区内岩体比较破碎 。 2 多手段物探技术 2 .1 AGI 高密度电阻率法技术原理 AGI 高密度电阻率法是根据岩(矿)石间的电性差异的不同 ，经观测研究人工电场在地下的分布规律特征 ，达到解决各种类型工程地质问题的目的 。通过事先布置好的电极 ，向地下输入直流电来产生电场 ，并使用相关仪器进行观测 ，分析人工电场下地层电流的规律及其特征 。 最终能得到一个二维视电阻率断面的测量结果 ，以此推断出地下某个面状的相关信息 ，在此信息的基础上可以分析出深地地质体的类型及其状态 ，从而解决相关的地质问题 。构建地面下稳定电流场需要同时设置两个接地电极 A 和电极 B ，接地是为了使电源和大地构成电回路 。 而均匀大地电阻率的测定则需要另外设置两个测量电极 M 和电极 N ，见图 2 。图 1 矿区首采分区图 Fig .1 First mining area map of mining area 图 2 测量电极示意图 Fig .2 Measuring electrode schematic 从图 2 可知电极 M 和电极 N 之间的电位差表达式 ，见式(1 ) 。 从而可知均匀大地电流场下电极 M 和电极 N 测量电极间的电阻率计算公式 ，见式(2) 。 影响非均匀电场的因素包括岩(矿)石之间互相重叠 ，以及断层裂隙互相交织等 ，因此 ，ρS 计算公式见式(3) 。 ΔU = UAB M - UAB N = Iρ 2 π 1 AM - 1 AN - 1 BM + 1 BN (1) ρ = 2 π 1 AM - 1 AN - 1 BM + 1 BN × ΔU I = K ΔU I (2) ρS = K · MN I j o · ρ (3)式中 ：K 为电极排列系数 ，与测量装置方式有关 ;ΔU 为电势差 ;I 为电流 ;j o 为电极 M 和电极 N 间的电流密度 ;ρ为各向同性均匀岩石的电阻率 ;ρS 为视电阻率 。最后根据采集的电阻率数据 ，采用最小二乘法反演分析测区地层地质体的分布情况 。130万方数据第 1 期 黄正均 ，等 ：多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用 2 .2 EH4 大地电磁探测法技术原理 EH4 大地电磁探测法是利用宇宙中的太阳风 、雷电等入射到地球上的天然磁场信号作为激发场源 ，该场源是平面电磁波 ，垂直入射到大地介质中 。利用大地岩(矿)石的电性差异 ，根据卡尼亚视电阻率公式(式(4))和趋肤深度公式(式(5))建立视电阻率随深度变化的情况 ，最终确定出大地底层构造特点及分布状况 。 ρ = 15 f E H 2(4) δ = 503 ρ f (5)式中 ：ρ为视电阻率 ; f 为频率 ;E 为电场强度 ;H 为磁场强度 ;δ为趋肤深度 。 2 .3 工作方法和流程 AGI 高密度电阻率法有不同的装置形式 ，可以用来进行各种组合测量 ，常按以下步骤进行测量 ：首先针对要测量的工程范围及其大小设计合适的测量方式 ;然后进行现场布线 ，设点和测量 ;最后处理测量得到的数据并进行反演计算 。 EH4 大地电磁探测工作现场示意如图 3 所示 。现场需布设 X 、Y 两个相互垂直方向上的测量电极4 个 ，同时布设相互垂直的磁棒 2 根 ，可表示为 HX 、 HY ，另布设接地电极和发射天线 ，以及连接主机 。再根据地质情况和现场条件 ，选择合适的采样参数 ，进行数据采集 ，并现场确认数据是否有效 ，否则需排除干扰并重新采集 ，再更换下一个测点 。 EH4 大地电磁探测测量步骤与 AGI 高密度电阻率法基本一致 ，故不再赘述 。 3 露天矿边坡地质勘探应用 3 .1 现场探测剖线布置根据矿区待探测区域的具体地形条件 ，现场共布设探测剖线共 6 条 ，沿采坑内侧往外侧方向布置测线 ，每条测线均与露天境界线垂直 。

其中 EH4 实现 6 条测线全覆盖 ，AGI 高密度电阻率探测选择其中的 1 # 测线 、3 # 测线和 6# 测线对其进行协同探测 ，测线现场布置图见图 4 。 AGI 高密度电阻率法探测采用 6 m 极距 ，单条剖线长 360 m ，电极数 60 个 ，设计探测深度 50 ～ 100 m ;EH4 大地电磁探测共设计布点 98 个 ，每条剖线长 500 ～ 600 m 不等 ，极距30 m ，设计探测深度 100 ～ 1 000 m 以内 ，与 AGI 探测深度进行了有效接合 。 3 .2 AGI 探测结果分析数据处理采用后处理软件进行反演分析 。 导出 DAT 数据文件 ，对反演数据在 XZ 平面上进行网格图 3 EH4 探测工作布置示意图 Fig .3 EH4 detection work layout diagram 图 4 探测区域测线布置图 Fig .4 The detection line layout in detection area 化 ，利用二维分析处理软件进行相应的二维反演分析 ，并根据地质地球物理条件进行修正 ，以提高其精度 。 最后 ，对电导率数据进行成图处理 ，得到 1 # 测线 、3# 测线和 6# 测线的地层电性图形 ，限于篇幅有限 ，仅以 3# 测线为例 ，见图 5 。3# 探测剖线位于西部矿坑的中部 ，剖线跨越矿坑最终边界线 ，探测剖线走向为东西向 ，西侧高 ，东侧低 。 由反演断面图 5 可以看出 ，东西两侧电阻率差异明显 ，东侧电阻率分布在 600 ～ 4 000 Ω ·m 范围内 ，西侧电阻率分布在 30 ～ 600 Ω ·m 范围内 。结合现有地质资料及图 5 可知 ，东西两侧电阻率的差异是由于地层中存在构造导致 ，构造位于探测剖线中部 ，对应探测剖线所在位置推断构造在矿坑边界线附近 ，构造呈现北北西走向 ，倾角较陡 ，根据现有131万方数据中 国 矿 业 第 28 卷的地质资料 ，该构造与 F3 断层吻合 ，而且在该区域 F3 断层的宽度很大 ，约为 70 m ，断层表现为低阻体 ，并结合后期地质钻探和地表含水情况 ，推断该处断层内部为含水层 。 在探测剖线对应的 250 ～ 300 m的位置存在一个低阻体 ，深度约 30 m ，同样结合后期地质钻探和地表含水情况 ，推断为地表含水层 ，对应矿坑边坡边界 ，该低阻体位于矿坑内 。 对应探测剖线位置及边坡边界线 ，断层位于矿坑内部 ，随着矿坑的开挖 ，断层与边坡会出现相交的现象 ，且相交位于边坡下部 ，对边坡整体的稳定性有很大的安全隐患 。图 5 探测线采用温纳方法的二维反演断面图 Fig .5 Two‐dimensional inversion section of the detection line using the Wenner method 图 6 探测线二维反演断面图 Fig .6 Two‐dimensional inversion section of detection line 132万方数据第 1 期 黄正均 ，等 ：多手段物探技术在露天矿山边坡地质勘探中的应用 3 .3 EH4 探测结果分析 EH4 数据处理同样采用后处理软件进行反演分析 。 同样以 3# 测线为例 ，3# 探测剖线位于西侧矿坑的中部 ，剖线跨越矿坑最终边界线 ，探测剖线走向为东西向 ，3# 探测剖线位于与 AGI 高密度电阻率法探测剖线位置重合 。 探测反演深度为 1 000 m ，见图 6(c) 。

结合现有地质资料及反演图可知 ：高阻区呈现“V”字形分布状态推断存在 2 组构造 ，其中反演图形西侧构造呈现北北西走向 ，倾角较陡 ，根据现有的地质资料与地表地形图 ，该构造与 F3 断层吻合 ，并与前述 AGI 反演结果对应一致 ;东侧构造呈现北北东走向 ，倾角较陡 ，根据现有的地质资料与地表地形图 ，该构造可推断命名为 F4 断层 ，并结合其余探测剖面反演结果 ，推断该断层的发育起点为矿坑西侧中部 ，位于冲沟东侧 ，向矿坑内部发展 ，深度约为 600 m 。 该区域构造的宽度和深度很大 ，而且存在 2 组大的构造 ，其中推断次生构造也较发育 ，因此该区域边坡应该得到足够的重视 。 对应地表地形图 ，两组构造都位于矿坑内部 ，随着矿坑的开挖 ，断层与边坡会出现相交的现象 ，且相交位于边坡下部 ，对边坡整体的稳定性有很大的影响 。如图 6 所示 ，综合 6 条剖线反演图形整体进行分析可知 ：① 图形中的高阻异常体呈现一定连续性 ，地层内构造具有连续性和完整性 ;② 探测区域地层内存在 2 组构造 ，其中一组为 F3 断层 ，另一组为 F4断层 ;③ F3 断层贯通矿坑西部 ，呈现近南北走向 ，切断了西部边坡 ，在西北部和西南部断层位于矿坑外侧 ;在矿坑西侧中部 ，断层位于矿坑内侧 ，随着边坡开挖 ，断层将与边坡相交于底部 。 因此 ，该断层对边坡整体稳定性影响很大 ;④ F4 断层发育起点在矿坑西侧中部 ，位置冲沟的东侧 ，呈现北北东走向 ，向矿坑内部发展 ，深度约为 600 m 。通过二维反演断面图综合对比了 AGI 高密度电阻率法和 EH4 大地电磁探测法在异常地质构造位置的不同之处 ，AGI 探测深度较浅且浅部勘探效果好 ，验证了 F3 断层所在位置的地质构造情况 ，而 EH4 探测深度较深 ，利于查明可能存在新断层的位置情况 ，工程中顺利探测出新的 F4 断层 。 最后通过勘探钻孔并结合勘探剖面图(图 7 和图 8)验证了两种方法推测出的断层位置 。 两种物探方法综合使用 ，能够更好地查明矿区异常地质构造 ，再辅以部分钻孔勘探和现场踏勘进行验证 ，表明其在露天边坡探测工程中的应用效果显著 ，为金属矿露天边坡地质探测提供了一种快速 、高效 、高精度的勘探方法 。图 7 23 勘探线剖面图 Fig .7 23 exploration line profile 4 结 论综合应用 AGI 高密度电阻率法和 EH4 大地电磁探测法对金属矿露天矿山边坡异常地质构造进行了探测工作 ，应用结果效果较为理想 。1) 矿坑西侧存在一条贯穿整体边坡的断层构造 ，呈近南北走向 ，切断了西部边坡 ，对边坡整体稳定性的影响很大 。 在西北部和西南部断层位于矿坑外侧 ，边坡易产生滑坡现象 ，在矿坑西侧中部 ，断层位于矿坑内侧 ，但随着边坡开挖 ，断层将与边坡相交于底部 ，不利于边坡稳定性 。2) 查明了新的 F4 断层 ，发育起点在矿坑西侧中部 ，位置冲沟的东侧 ，呈现北北东走向 ，向矿坑内部发展 ，深度为 600 m 左右 。3) 矿坑中部构造的宽度和深度较大 ，且存在 2133万方数据中 国 矿 业 第 28 卷图 8 实验钻孔在 11 纵线剖面图中的位置 Fig .8 Experimental drilling position in the 11 vertical line profile 组大的构造 ，其中推断次生构造也较发育 ，断层属于富含水区域 ，对边坡整体稳定性十分不利 。

参考文献[ 1 ] 张建清 .工程物探检测方法技术应用及展望[J] .地球物理学进展 ，2016 ，31(4) ：1867‐1878 . ZHANG Jianqing .Engineering geophysical detection methods technology application and prospects [ J ] . Progress in Geophysics ，2016 ，31(4) ：1867‐1878 .[ 2 ] 韦卫明 .高密度电法在工程勘察应用中的体会[J] .煤炭技术 ，2011 ，30(2) ：134‐136 . WEI Weiming .Density resistivity explore of experience in application[J] .Coal Technology ，2011 ，30(2) ：134‐136 .[ 3 ] 李洪嘉 .高密度电法在隧道地质灾害超前预报中的应用[J ] .山西建筑 ，2011 ，37(7) ：153‐154 . LI Hongjia .Application of high density electricalmethod in advanced forecast for tunnel geology [J] .Shanxi Architecture ，2011 ，37(7) ：153‐154 .[ 4 ] 马德锡 ，杨进 ，于爱军 ，等 .高密度电法在金矿探矿应用中几个问题的研究[J] .黄金 ，2010 ，31(1) ：15‐19 . M A Dexi ，YANG Jin ，YU Aijun ，et al .Study of some aspect to application of high density electrical method in gold deposit prospecting [J] .Gold ，2010 ，31(1) ：15‐19 .[ 5 ] 杜琴 ，邢宝山 ，叶杰 ，等 .连续电导率观测系统在五龙金矿深部找矿预测中的应用研究[J] .地质与勘探 ，2018 ，54(2) ：332‐343 . DU Qin ，XING Baoshan ，YE Jie ，et al .Application of the continuous conductivity observation system to prediction of deep prospecting in the Wulong gold deposit[J] .Geology and Exploration ，2018 ，54(2) ：332‐343 .[ 6 ] 李忠 ，肖高强 ，许晶 .EH‐4 电导率成像技术和物探综合方法在镇康放羊山铅锌铁矿区勘查中的应用 [J ] .云南大学学报 ：自然科学版 ，2017 ，39(S2) ：105‐109 . LI Zhong ，XIAO Gaoqiang ，XU Jing .EH‐4 conductivity imaging and geochemical comprehensive method in Fangyang hill of Zhenkang exploration the application of lead and zinc iron mining area [J ] .Journal of Yunnan University ：Natural Sciences ，2017 ，39(S2) ：105‐109 .[ 7 ] 吴克凡 ，祁增云 ，岳军民 .EH4 电磁成像系统在工程地质勘察中的应用[J] .科技广场 ，2017(5) ：128‐132 . WU Kefan ，QI Zengyun ，YUE Junmin .Application of EH4 electromagnetic imaging system inengineering geological investigation[J] .Science Mosaic ，2017(5) ：128‐132 .[ 8 ] 令春伟 ，张文泉 ，白斌 ，等 .探地雷达与 EH4 大地电磁探测在铁矿采空区的协同应用[J] .煤炭技术 ，2018 ，37(5) ：124‐126 . LING Chunwei ， ZHANG Wenquan ， BAI Bin ， et al . Cooperative application of ground penetrating radar and EH4 magnetotelluric prospecting in mined out area of iron mine [J] .Coal Technology ，2018 ，37(5) ：124‐126 .[ 9 ] 李志华 ，张吉 .综合物探技术在旧堡隧道勘察中的应用与效果分析[J] .铁道勘察 ，2018(3) ：25‐30 . LI Zhihua ZHANG Ji .Application and effects analysis of synthetic geophysical prospecting techniques in Jiuputunnel investigation[J ] .Railway Investigation and Surveying ，2018(3) ：25‐30 .[10] 任杰 ，董瀚 ，田建荣 .浅论高密度电法测量在划分不同岩性界面中的应用[J] .甘肃地质 ，2010(3) ：89‐92 . REN Jie ，DONG Han ，TIAN Jianrong .Application of high density electric survey on different lithological interface [J ] . Gansu Geology ，2010(3) ：89‐92 .134万方数据