矿山地质灾害监控预警的工程物探技术.pdf

第 3 4 卷第 5 期 成都 理工大 学学 报 自然科 学版 V o 1 ． 3 4 N o ． 5 2 0 0 7年 1 O月 J O UR N A L O F C HE N G D U U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G Y S c ie n c e＆T e c h n o l o g y E d i t io n Oc t ． 2 0 0 7 [ 文章编号]1 6 7 1 9 7 2 7 2 0 0 7 0 5 0 5 5 9 0 5 矿山地质灾害监控预警的工程物探技术 肖宏跃 雷 宛 雷行健 1 ． 成都理工大学信息工程学院 ， 成都 6 1 0 0 5 9 ； 2 ． 电子科技大学生命科学与技术学院 ， 成都 6 1 0 0 5 4 [ 摘要]以某矿 山排石场稳定性对矿 山地质灾害的影响为例 ， 将高 密度 电阻率 法及 工程地震 反 射法同时应用于矿 山地质灾害进行监控和勘察 中， 结果表 明 对于可能引起 排石场地质 灾害 隐 患的调查 ， 两种物探 方法相结合 ， 相互补充 ， 消 除 了单一方 法的 多解 性，得 到 的勘探 结果更加 准确 可靠。 [ 关键词]高 密度 电阻率法 ； 工程地震反射 法； 矿 山地 质灾害； 监控预警 [ 分类号]P 6 3 1 ． 3 [ 文献标识码]A 由于大 规模 的采矿 工 程 活 动 ， 以及 采 矿 产 生 的废石 和尾 矿多 处原 地 长 期 堆 放 ， 引起 各 种 各 样 的地质灾害问题 ， 如水土流失、 滑坡 、 崩塌 、 地面沉 降塌陷、 诱发地震、 污染水体和空气等。 一 些 国家 自 2 0世纪 7 0年 代开始 就重 视排 石 场所产生的环境地质 问题 ， 试验性研究排石场的 稳 定性及 其 治理措施 ， 已经 取得 了较 大 的进 展 。 中国是一个矿业大国， 由于以往对矿床和矿 山开发 引起 的环境 效 应 没 有 引起 足 够 的重 视 ， 突 发 性和延 缓型 地质 灾 害 时 有发 生 ， 且 有 增 长 的趋 势。因此建立矿山地质灾害的监控预警技术 ， 以 确保资源开发过程 中及开发后 的环境安全 ， 已是 当务之急 ， 虽然 已意识 到矿 业 开发 活 动 导致 环境 的负面影响， 由于许多客观因素的制约 ， 对矿山地 质灾 害监控 预警 ， 目前 仍处 于起 步 的阶段 ， 因此急 需开展矿山地质灾害监控预警技术与示范研究。 前人对 排石 场 的研 究大 多数是 从 排石场 排石 工艺 、 排石 场岩 土力 学 性 质 和排 石 场 滑 坡 机制 方 面着 手研究 ， 而 尝试 采 用 工程 地 球 物 理方 法 对 排 石场稳定性进行研究尚属首次。 高密度 电阻率法和工程地震法是工程地球物 理勘探主要方法， 作为轻便、 快捷 、 经济有效的工 程地质勘探与地下工程质量检测手段已被国内外 工程界所共识 。本文根据这两种工程物探技术的 理论 方法 ， 将其 应 用 于 实 际矿 山排 石 场 的稳 定 性 调查 中 ， 通 过排 石 场雨 季 前 后 不 同 的地 球物 理 特 征 ， 推断排石场 内部存在影响稳定性的隐患 ， 从而 达到对矿山地质灾害监控预警的目的。 1 地球物理条件 某工区排石场的岩石松散体是 由采矿场剥离 的辉长岩、 含矿辉长岩 、 大理岩以及昔格达土、 亚 粘土 、 亚砂 土等第 四纪 表土组 成 ， 其 平 面堆放见 图 1 。在工区调查了松散堆积体各物性参数值并随 机选定多个具有代表性 的岩矿标本和雨水进行 了 物 性 测定 ， 其结果 如表 1 。 由表 1可见 ， 排石 场松散 体在 波阻抗 、 电性 方 面都存在明显的差异 ， 具备进行高密度电阻率法 、 工 程地 震反 射法勘 探 的地球 物理条件 。 2 数 据 采集 2 ． 1 高密 度 电阻率法 的数据 采集 根 据水 文 、 工 程 及 环境 地 质 调查 的实 际 需 要 而研制的高密度电阻率法， 是 以岩、 矿石之间电阻 f [ 收稿 日期]2 0 0 7 0 5 0 8 [ 基金项 目]国家科技攻 关计 划项 目 2 O 0 5 B A9 O 1 A O 3 [ 作者简介]肖宏跃 1 9 5 8 一 ， 女 ， 副教授 ， 主要从事应 用地球物理及工程与环境物探 工作 ， E - ma i l x i a o h y c d u t ． e d u ． c n 。 维普资讯 5 6 0 成都 理工大 学 学报 自然科 学版 第 3 4卷 图 1 某工 区排石场平面堆放图 Fi g ． 1 E j e c t r o c k f i e l d o f a wo r k a r e a p l a n e s t a k e 表 1 岩石、 矿石的电阻率及纵波速度 The r e s i s t a n c e a n d v e r t i c al wa ve of r oc ks a n d o r e s 率差异为基础 ， 通过观测和研究与这些差异有关 的电场在空间上 的分布特点和变化规律， 来查 明 地下地质构造和寻找地下电性不均匀体 岩溶 、 风 化层 、 滑坡体等 的一类勘查地球物理方法。高密 度电法相对于传统电法而言采集数据量大 ， 数据 观测精度高 ， 在电性不均匀体的探测 中具有 良好 的地 质效果 。 高密度电阻率法的探测深度随着供电电极距 的增大 而增大 ， 当 隔离 系数 n逐 次 增 大 时 电极 距 也 逐次增 大 ， 对 地 下 深部 介 质 的反 映 能力 亦 逐 步 增 加 。由于测线 的测 点总数 是 固定 的 ， 因此 ， 当极 距扩大时， 反映不同勘探深度 的测点数将依次减 少 。通常把高密度电阻率法的测量结果记录在观 测 电极 的中点 、 深度 为 xa的 点位 上 ， 整 条 剖 面 的测量结果就表示成为一种倒三角梯形的电性分 布及 工作 剖面 。 当电极排 列间距 为 △ 时 ， 测 量 电极距 a 一， z x A x ， 依次取 n 一1 ， 2 ， ⋯ ， 每个极距依固定的装置 形式逐点由左 至右移 动来 完成该极距 的数据采 集。对某一极距而 言， 其结果相当于电阻率剖面 法 ， 而对同一记录点处不同极距 的观测又相当于 一 个电测深点。高密度电阻率法实际上就是 电阻 率剖面法和电阻率测深法的组合。 高密度电阻率法有多种电极排列方式 ， 如温 纳四极排列 、 偶极排列 、 联合三极排列、 微分排列 等装置。在本次工作中， 根据现场实验， 采用温纳 四极排列 a 装置， 图 2 ， 其参数为 AM M N NB a，AN BM一 2 a， ID 一 2 兀a A M N B 一 I I I I I I I⋯- - - - - ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ●● ● ● 图 2温纳装置排列示意图 Fi g ． 2 Th e s k e t c h ma p o f W i n n e r a r r a n g e me n t 2 ． 2浅层 地震勘 探 的数 据 采集 本次工程物探工作 采用 工程地 震纵波反射 法。反射波法是根据地震波在弹性介质中的传播 理论 ， 通过人工在地面激发地震波向地下深处传 播， 遇弹性分界面， 就会产生波 的反射 ； 通过检波 器和地震仪接收返回的反射波， 进行时频特征和 振幅特征分析 ， 便能了解到地下地质体的特征信 息 ， 从 而达到勘 查 的 目的。 野外数据采集时 ， 需对各种干扰予 以识别和 压制。获得分辨率和信噪 比合格的记录是工程地 震反射法成功的关键。数据采集质量的好坏将直 接关系到勘探成果 的精度 ， 而数据采集又取决于 野外观测系统和仪器参数的准确选择 。在工区选 择具有代表性 的地 段进行了试 验， 对干扰波 面 波、 声波及其他不规则波 进行了频率和速度分析 后 ， 设计工 作参 数为 偏移距 1 5 1 T I ， 道 间距 2 ． 5 维普资讯 第 5期 肖宏跃等 矿山地质灾害监控预警的工程物探技术 5 6 1 m， 排 列长度 为 1 1 5 m， 以模 拟 滤 波全 通 方 式进 行 记 录 ， 记 录长度 为 2 0 0 ms ， 此 时 工 区 内 的干 扰 波 在频率 、 速度和分布空间上与有效反射波有 比较 明显 的差异 。同 时 ， 为 了压 抑 干扰 波 和 获取 频 带 宽、 高频成分丰富的反射波 ， 激发方式采用小炸药 量 3 0 ～5 0 g 爆 炸 激 发 ， 确 保 了 达 到和 超 过 需 要 的探测深度以及必要的分辨率。正式施工时测线 观测方 式按 覆盖 观测 系统进行 。 3 资料处理 3 ． 1 高密 度 电阻率法 的资料 处理 高密度 电阻率法的数据处理是把所测得的视 电阻率 ， 经数 据格 式转换 、 数 据预处 理 、 地 形校 正 、 正演和反演计算 ， 最后得 到视 电阻率成像色谱图 并对其进行地质解释。 把格式转换好的视 电阻率， 经数据预处理消 除坏点 ， 保留数据较一致 的数据点 。并根据现场 实验和与其他资料对比分析 ， 选择正演、 反演计算 参 数 。把经预 处 理 后 的数 据 经 地形 校 正 ， 绘 成 原 始测试数据的视电阻率成像色谱 图。 反演计算是由所测得 的高密度电阻率法原始 数据色谱图， 反演计算该剖面下的地 电断面， 确定 地下岩石 的真 电阻率 分布。反演采用最佳 拟合 法 ， 给定一个初始地电断面， 在初始断面上计算视 电阻率的理论曲线， 将理论 曲线与实测 曲线作对 比 拟合 ， 通过修改参数获得最佳拟合效果 ， 即高 密度 电法反演成像色谱 图。 用反演得到地 电断面图， 采用最小二乘 法进 行正演计算 ， 从而得 到高密度电阻率法正演成像 色谱图。当正演结果色谱图与原始数据色谱图结 果一 致性较 高 时 ， 说 明反演地 质 剖面结 果正 确 。 3 ． 2 浅层 地震 资料 的数据 处理 工区地震原始记 录质量 良好 ， 其主要干扰波 为面波和声波 。对全道记 录作频谱分 析后 ， 客观 地反映了记录的频谱。对各记录频谱进行分析的 过程中， 分别选取低通、 高通和宽带通进行了数字 滤波 ， 经多次 试验 和对 比后 ， 对 记 录进行 一维 滤波 和 F K二维扇形滤波 。滤波后消除 了面波， 并用 相干加强的方式 ， 对其他干扰波进行 了消除。在 叠后的时间剖面上做了滤波和中值滤波 ， 以提高 最终输出的反射水平叠加时间剖面的信噪比。 4勘查效果 通过对某地区排石场进行 了高密度电法和工 程地震法综合勘探 ， 采用多种方法提取各种信息 参数， 对 比了雨季前后 同一位置高密度 电法资料 结果， 研究方法多样 ， 获取的信息量大。如何有效 利用获得各种资料信息 ， 结合前人资料 ， 进行全 面 、 综合 解释成 为研 究 的关键 。 4 ． 1 高密度 电 阻率法 的勘查效 果 工区属于高原河谷亚热带 岛状立体气候 ， 旱 季雨季分明， 一般 6 ～1 0月份为雨季 ， 1 1月份至 次年 5月份为旱季 。雨季降雨量 占全年降雨量的 9 0 。利用该区的这一特点， 高密度 电阻率法野 外数据采集分两次进行 ， 雨季前后各一次。旱季 时气候干燥， 气温很高 ， 蒸发量很大， 引起地表浅 部异常干燥； 而下部深处含有水分以及潜水作用 ， 造成地表浅部呈高阻， 深部呈低阻。雨季时， 孔隙 含水量剧增， 矿物质大量溶解， 整个排土场的电阻 率将会 比旱季 时降低。但在裂隙、 洞穴等不 良地 质体 的地方， 水 的含量相对较高， 电阻率变化较 大。通过对比雨季前后资料， 分析视 电阻率 的变 化规律 ， 能有效地查明地下洞穴、 渗漏通道和隐伏 裂缝的位置、 埋深及空间形态。 图 3为在排石场同一位置雨季前后得到的高 密度 电阻率法剖面。由图 3可见 ， 整条剖面视 电 阻率雨季后 比雨季前均有所 降低， 在异常处视 电 阻率 变化 较 大， 比旱 季 电阻率 值约 低 1 0 0 0 ～ 3 0 0 0 Q m左右 。雨季 前 在 测 线 约 1 0 8 ～1 5 2 m 处， 埋深约为 1 0 ～2 6 m处 ， 为雨季 前异常区， 电 阻率值约为 3 0 0 ～3 1 5 0 Q m； 而雨季后在测线 约 1 0 4 1 5 2 m， 埋深约为 6 ～2 6 m处 ， 变为一低 阻异常区 ， 电阻率约为 1 0 0 3 0 0 Q m， 较雨季前 电阻率值有 明显下降。分析认为， 电阻率下降是 该区域雨季时充水所致 ， 因此推断该 区域为相对 独立的空洞或裂缝 ， 是潜在含水 区域 ， 为不能储存 雨 水 的裂缝或 者空 洞 。 4 ． 2浅层地 震反射 波 法的勘查 效果 为了与高密度电阻率法勘探结果进行综合对 比， 采用偏移距 1 5 m ， 道间距 2 ． 5 m 的工程地震 反射 波 法对 同一 E测线 进行 勘 查 ， 并 将 时间 剖面 转换 为深 度 剖 面 。如 图 4所 示 ， 在剖 面约 1 0 2 ～ 1 5 2 m处 ， 深度约 1 0 ～2 8 m， 出现反射波不连续 的区域 。反射 波 在该 区域 时 而 出现 时 而 消失 ， 顶 部反射波能量微弱， 而左 右两边反射波 同相轴连 续完好 。同时在该剖面所测得工程地震反射波的 速度 图谱上 出现低速异常区 见图5 ， 所以推测 维普资讯 5 6 2 成都 理工 大学 学报 自然科 学版 第 3 4卷 2 ． O 5 g 8 ． 1 9 ＼1 2．3 -2 4 1 8 ． ． 4 6 2 8 ． 7 测线 ／ m 0 6 4 1 2 8 1 92 雨ll t “ 、 t*- 1 - 口E i _ _ _ _ _ 一 一 _ _ _ _ _ _ _ 一 _ _p ／ Q． m 2 ． 6 1 8 ． 5 2 2 7．8 9 o ． 7 2 9 6 9 6 6 3 1 5 3 l 0 2 8 8 2．0 5 羹 鬟 2 6 ． 6 3 0．7 目 l O ＼ 瑙 聪 2O 雨季后 番 ，}盛 』 I ‘● 口 j E} 喾 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o ／ Q m 0．67 2 ． 3 5 8 ． 2 8 2 9 ． 1 1 0 2 3 6 0 1 2 6 6 4 4 5 2 图 3 E剖面雨前高阻异常区域在 雨后呈现低 阻异常 区域对比图 Fi g ． 3 The c o nt r a s t o f t he h i g h r e s i s t a nc e a bn or ma l a r e a b e f or e r a i n i n g wi t h t he l ow r e s i s t a nc e a bno r mal a r e a a f t e r r a i ni ng i n E t e s t l i n e 线 ／m l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o 0 l 1 0 1 2 0 1 3 0 1 40 1 5 0 图 4 E测 线 浅 层 地 震 反 射 剖 面 Fi g ．4 The s h a l l ow s e i s mi c r e f l e c t i on s e c t i on o f E t e s t l i n e C DP号 3 0 1 2 9 3 2 8 5 2 7 7 2 6 9 2 6 1 2 5 3 2 4 5 2 3 7 2 2 9 2 21 2 1 3 圈 5 E剖 面地 震 反 射 波 的速 度 谱 图 Fi g ． 5 Th e v el o c i t y c ha r t of s e i s mi c r e f l e c t wa ve o f E t e s t l i n e 该 区域 内有 被 雨 季水 充 填 的空 洞 、 裂 缝 。而该 空 洞 、 裂 缝可能 是 由于堆放 时未压 实而引 起 ， 与 高密 度电法推测结果一致 ， 为潜在含水区域 。利用两 种地球物理方法所获取 的丰富资料 ， 运用不 同方 法的异常特征对 比分析， 相互验证 ， 减少单一方法 的多解性 ； 结合地质资料， 提高解释精度 。综合对 比分析可知， 在视电阻率剖面上雨季前呈现高阻 1 5 51 2 2 3 O 2 9 o 9 3 5 8 8 42 6 7 4 9 4 6 5 6 2 5 m／ s 异常 图 3 ， 而在雨后表现为低阻异常区； 在地震 速度谱图上存在低速异常 区 图 5 ， 为潜在含水 区域 。该 区域不能长期储存 雨水 的裂缝 或者空 洞 ， 由于 水 的作 用 ， 将 是 产 生 地 质 灾 害 的 危 险地 段 ， 应引起足够的重视。经钻孔验证 ， 此区域为由 第四纪的粘土包围的较大块未压实的辉长岩 。 维普资讯 第 5期 肖宏跃等 矿 山地质灾害监控预警的工程物探技术 5 6 3 5 结 论 a ． 在 某排石 场 采 用 了 高密 度 电法 、 工 程 地 震 法的 工程物 探技 术 ， 并 对 比了雨 季 前后 高 密度 电 法资料 ， 查明了排石场内部存在的空洞或裂缝 ， 以 及它们的产状 、 大小 、 空间位置 。 b ． 高密度 电阻率法依 据电阻率 的差异进 行 解释 ， 所 以当圈定空洞异常时能区分高阻与低阻 异常 ， 是否充水； 而工程地震是利用地震波在勘探 对象中传播的速度差异对其进行解释 ， 空洞或裂 缝的反射波不连续 ， 含水层在速度谱 图上形成低 速异常区。所 以这两种物探方法相结合 ， 相互补 充 ， 消 除 了单 一 方 法 的 多解 性 ，得 到 的勘 探 结果 更加准确可靠 。 C ． 采用地球物理研究排石场地质灾害预警和 监控是一种创新和尝试。用物探方法进行工区的 扫面， 先查 明该区空洞 、 裂隙等不 良地质体的纵 、 横向发育及分布规律 ， 再进行有 目的布钻 ， 以精确 地控制空洞 、 裂 隙的深度 、 走 向及规模 ， 并对物探 资料进行验证 。物探与钻探相结合 ， 能使排石场 工程勘察取得事半功倍效果 。 d ． 建立排石场监控 预警机制 ， 重点地段重点 监控 ， 在雨季时加强监控力度 ， 暴雨过后危险地段 应减慢或停止作业 ， 避免地质灾害的发生 。 在实际工作 中应结合 当地的地球物理条件 ， 具体情况具体分析 ， 先做实验 ， 选取最适合当地地 球 物理条 件 的物探 方 法 及 装置 ， 从 而取 得 最佳 的 物探效果 。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]雷宛 ， 肖宏跃 ， 邓一谦．工程与环 境物探 [ M] ．北京 地质 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]王兴泰．工程 与环境 物探新方法 新技术 [ M] ．北京 地质 出版社 ，1 9 9 6 ． [ 3 ]刘祖 民， 雷 宛 ， 鲁红 英 ， 等． 浅层 地震反 射法在 某重大 工程预选厂址 中的应用[ J ] ． 成都 理工大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 3 4 3 4 5 3 4 8 ． [ 4 ]张腊根 ， 刘基． 高密 度电法在岩 溶路基 勘察 中的应用 [ J ] ． 土工基础 ，2 0 0 6 ， 2 0 5 6 9 7 1 ． [ 5 ]吴有亮 ， 雷宛 ， 李金玺 ， 等． 溶洞 的浅层地 震反射 法特 征及工程应用[ J ] ． 工程勘察 ， 2 0 0 6 ， 2 0 1 4 7 3 7 6 ． [ 6 ]祝卫东 ， 钱勇峰 ， 李建华 ． 高密度电阻率法在采空区及 岩溶探测 中的应用研究[ J ] ． 工程勘察 ， 2 0 0 6 ， 2 0 1 4 69 7 2． Te c h n o l o g y o f e ng i ne e r i n g r e c o nn o i t r e u s e d i n s t a ki ng o u t a n d s u pe r v i s i n g c a l a mi t i e s o f a mi ne XI AO Ho n g y u e ，L E I Wa n ，L E I Xi n g - j i a n 1 ． C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n En gi n e e r i n g，C h e n g du Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy，C h e n g du 6 1 0 0 5 9，C h i n a； 2 ． S c h o o l o f Li f e S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Un i v e r s i t y o f El e c t r o n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Ce ngdu 61 0 05 4．Chi n a A b s t r a c t Ta k i n g t h e e f f e c t o f t h e s t a b i l i t y o f t h e e j e c t r o c k f i e l d i n a mi n e o n t h e c a l a mi t y o f mi n e a s a n e x a mpl e，t h i s p a p e r a p pl i e s t h e hi g h c o ns i s t e nc y r e s i s t a n c e r a t e m e t h o d a nd e ng i ne e r i n g e a r t hq u a ke r e f l e c t me t h od t o t he s up e r v i s o r y c o nt r o l a nd r e c o nn a i s s a n c e o f mi ne g e o l o gi c di s a s t e r s ． The r e s ul t i n d i c a t e s t h a t ，f o r t h e i n v e s t i g a t i o n t h a t mi g h t a r i s e g e o g l o g i c d i s a s t e r h i d d e n t r o u b l e s i n e j e c t r o c k f i e l d s，a muc h m o r e r e l i a bl e r e c on no i t r e r e s u l t c a n be o bt a i n e d，b e c a u s e t he c o mbi na t i on o f t he t wo ki n d s o f r e c o nn o i t r e me t h od a nd t he i r s up pl e m e nt t o e a c h ot h e r c a n e l i mi n a t e t he m u l t i p l e po s s i b i l i t y o f r e s u l t s ． Ke y wo r ds h i gh c o n s i s t e n c y r e s i s t a nc e r a t e me t ho d； e n gi ne e r i ng e a r t hqu a k e r e f l e c t me t h o d； mi ne g e o l o gi c di s a s t e r ；s up e r v i s or y c o nt r o l a nd a dv a nc e d a l a r m 维普资讯