综合物探技术在石灰石矿山溶...贵港市定祥山石灰石矿山为例_胡磊磊.pdf

第 卷 第期 ，年 月 ，：综合物探技术在石灰石矿山溶洞探测的应用研究 以广西贵港市定祥山石灰石矿山为例胡磊磊，黄德军，谢绍彬，曾宣源，杨荣（广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 ）摘要：为掌握广西贵港市定祥山石灰石矿山的地下岩溶发育的实际情况，利用综合物探技术对矿山主要采掘带、运矿路及安全平台等区域进行探测，工作中对多种物探技术（地质雷达、地震映像法、钻孔电视摄像、高密度电阻率法）进行了试验对比研究。结果表明，比较而言，地质雷达更适合此类石灰石矿山的岩溶勘察。综合应用时，先以地质雷达（高频、低频天线组合）为主取得成果异常地段，在地形地貌条件允许的区域辅以地震映像法、钻孔电视摄像等多种物探方法，如果接地条件较好，配合高密度电阻率法在成果异常段同步开展验证工作。探测结果表明综合物探技术在对影响石灰石矿山安全生产的溶洞隐患探测中有着良好的应用前景。关键词：石灰石矿山；溶洞探测；地质雷达法；高密度电阻率法；微动探测法；浅层地震映像法；应用中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言随着社会经济的不断发展，建筑建设行业进入了飞速发展的时期，对各类原材料的需求量也呈现爆发式增长，这就对矿山原料开采提出了更高的要求。而矿山开采本身就是一项危险性极高的工作，在进行露天开采的过程中做好环境风险分析是十分重要的。近几年以来，随着广西壮族自治区贵港市定祥山石灰石矿山开发力度的日渐增大，开采平面逐渐加深，矿区内的主要采掘带、运矿路及安全平台等地方发现越来越多的岩溶发育，其中不乏溶洞（空洞或泥水充填）、土洞及断裂破碎带等不良地质体，形成了较大的安全隐患，对矿山的正常生产造成了较大的影响，亟须了解矿山范围内的岩溶发育情况。前人针对碳酸盐岩地区地下岩溶及断裂的物探工作，有的采用某种物探技术，如地质雷达、反磁通瞬变电磁法、高密度电阻率法；也有的采用综合物探技术，这些为本次工作提供了有用的借鉴。针对矿山的实际情况，本次利用多种物探技术，对矿山主要采掘带、运矿路及安全平台等区域进行物探勘查。工作中对地质雷达、地震映像法、钻孔电视摄像、高密度电阻率法进行了试验对比研究，最后主要以地质雷达（高频、低频天线组合）为主，在部分地质雷达取得的成果异常地段且地形地貌条件允许的区域辅以地震映像法、钻孔电视摄像等多种物探方法，如果接地条件较好的话，配合高密度电阻率法在成果异常段同步开展验证工作 。勘查结果大致掌握了测区范围内地下岩溶的发育情况，推断出测区内岩溶发育区域，查明了溶洞位置、形状、规模、走向、状态及溶洞充填情况，满足矿山生产作业安全要求，为甲方做好相关防范措施及生产工作提供指导依据。地质地球物理特征 矿区地质概况石灰石矿区以勘探线为界分为南北两个矿收稿日期：；修回日期：第一作者：胡磊磊（），男，硕士，高级工程师，主要从事工程地球物理勘察研究工作。：通信作者：曾宣源（），男，硕士，注册岩土工程师，高级工程师，主要从事工程地质勘察研究、管理工作。：引文格式：胡磊磊，黄德军，谢绍彬，等综合物探技术在石灰石矿山溶洞探测的应用研究：以广西贵港市定祥山石灰石矿山为例矿产与地质，（）：区：北区设计最低开采高程为，目前最低开采高程为 ，分别为北区东采 台段与北区主采 台段，最高开采高程 ，为北区废料堆 平台；南区设计最低开采高程为，目前最低开采高程为 ，为南区 台段，最高开采高程为 ，为南区号山头 平台。南北矿区设计开采范围总面积为 ，矿山储量 万吨，可满足公司两条生产线 年生产之需。矿区 内 出 露 的 地 层 主 要 有 中 石 炭 统 大 埔 组（）、黄龙组（），上石炭统马平群（）及第四系（）。岩性分述如下：中石炭统大埔组（）：岩性为灰白色厚层状中晶白云岩，偶见夹有少量的浅灰灰白色白云质灰岩、灰岩团块。中石炭统黄龙组（）：主要为浅灰色中厚层生物屑亮泥晶灰岩、中细晶白云岩。上石炭统马平群（）：岩性为灰浅灰色中厚层泥晶生物屑灰岩。第四系（）：岩性为黄色、褐色黏土、腐植土，偶见含少量的铁锰质结核。勘查区位于横寨向斜的东翼中部，构造简单，整体为一单斜构造，形态单一，倾向 ，倾角 。节理裂隙发育情况一般，断裂构造不发育。矿区共发现、四个矿层：矿层产于黄龙组 第 一 段（），矿 层 产 于 黄 龙 组 第 二 段（），矿层产于马平群第一段（），矿层产于马平群第二段（）。矿层与矿层、矿层与矿层相邻产出，矿层与矿层由黄龙组第三段（）隔开。个矿层均呈单斜层状产出，向分布，倾向，倾角 ，均裸露地表。地球物理特征工区内出露岩性主要有中石炭统大埔组（）、黄龙组（），上石炭统马平群（）灰岩等，其相对介电常数和电磁波传播速度参数见表。表测区主要地下介质物性参数范围 介质相对介电常数电磁波传播速度（）纵波波速（）石灰岩（）（）黏土（湿）（）（）黏土（干）（）（）水 空气 在进行岩溶勘查时，由于岩溶在空间上发育的不均一性和岩溶水文地质条件的复杂性，仅仅依靠传统的地质学方法难以得到满意的结果，如果在地质学方法进行岩溶勘查的同时，合理地应用物探方法，就能够得到较为满意的结果，甚至能解决一些地质学方法无法解决的问题。根据矿山的设计规模、剩余储量及所掌握的甲方要求等实际情况，矿区一般情况下以 作为一个开采台段，要求的勘探深度相对较浅，则需要开展浅部分辨率和精度较高的探测方法，在此设计采用地质雷达法针对一个开采矿段的深度进行探测；而开采程度较低的矿段则还需要下降个开采台段（深度约），则需要开展能够对中、浅层具有较高分辨率且能够达到一定勘探深度的探测方法。从以往雷达探测工作经验可知：不同电性层其相对介电常数和电磁波传播速度也不同，两者之间存在一电性界面，可从雷达信号区分出来；在石灰岩地区，完整石灰岩的电阻率很高，而黏土、溶洞、溶槽、裂隙发育含水（泥）石灰岩电阻率较低，其相对介电常数和电磁波传播速度差异较大，也可从雷达信号区分出来。可见，本次主要选用地质雷达法来针对石灰石矿山安全生产溶 洞 隐 患 进 行 探 测，具 备 一 定 的 应 用 前 提 条件，。地球物理方法有效性试验根据技术方案的设计，在进入矿区后，在已发现的岩溶塌陷区域（位于北区废料堆 平台西侧的 平台）进行了地质雷达、浅层地震映像、高密度电阻率法、微动探测法有效性试验。试验成果见图。由图可见，地层层理发育在地质雷达剖面十分明显。由图可见，发现有岩溶发育异常的钻孔对应的位置，地质雷达剖面均有相应的电磁异常反应，浅层地震映像法在相同位置亦对应有同相轴波形的紊乱，可见地质雷达法、浅层地震映像法在该区域工作是行之有效的。随后在进行了高密度电阻率法的方法有效性试验时，考虑到场区地表均为电阻率高、接地效果差的第 卷第期胡磊磊等：综合物探技术在石灰石矿山溶洞探测的应用研究完整灰岩，在布设电极位置钻了 的浅孔，灌入黄泥，用洒水车淋水，测量效果依然不理想，接地电阻达到几千欧姆至十几万欧姆，测量出来的视电阻率达到几千欧姆到十几万欧姆，从平面等值线图来看，出现的视电阻率异常与实际地质情况差异较大，判断为假异常（图）。之后进行了微动探测方法有效性试验。针对场区地表机械设备不断施工及运输车辆来回走动存在震动干扰等情况，在矿山作业人员下班休息时间，选择不同的两个区域 个点进行试验，试验结果效果仍不理想，采集过程中实时显示面波勘探的纵向、横向分辨率较低，以及面波频散曲线随采集过程不收敛、不稳定。从面波频散曲线上看，出现一个或者连续拐点低速异常与实际地质情况差异较大，判断为假异常（图）。从微动探测的结果来看，在该场地微动探测测量数据不准确，因此，该场地不适宜采用微动探测法进行勘探。综合考虑该场地只进行地质雷达法、浅层地震映像法勘探。物探工作方法及测线布置本次物探测线的布设使用高精度 实时动态控制测量系统，采用北京 坐标系，与矿区使用的坐标系相同，便于矿区以后的工作。本次物探测线均以线距沿东西向布设，局部图地质雷达试验剖面图 图地质雷达及地震映像试验剖面图 矿 产 与 地 质 年图高密度电阻率法试验剖面图 图面波试验频散曲线图 测线沿主要运矿道路布设，测区 区域均进行加密测线，加密测线为线距，测点点距为。本次工作共完成 条地质雷达（和 ）剖面（）、条地震映像勘探剖面线 的 探 测 工 作（）、条 物 探 测 线 的 测量放点工作（图）。资料解释方法 浅层地震映像解释本次浅层地震映像处理使用加拿大骄佳公司的 处理软件，为了恢复反射波的真实能量，提高记录信噪比和分辨率，正确反映地下真实情况，得到用于地质解释的剖面，以及通过实际资料多次处理试验，处理软件主要模块功能如下：）真值恢复：消除大地滤波作用和球面扩散影响，使反射波恢复真实能量。）一维频谱分析：获取有效信号频带。）一维滤波：消除与有效波存在频率差异的干扰波。）反褶积：提高记录分辨率。）速度分析：获取介质波速。）高精度动校正与叠加：消除正常时差影响，获取时间剖面。）叠后滤波：进一步提高记录信噪比。）偏移归位：使反射波正确归位，提高横向分辨率。）人机联作解释：对偏移归位时间剖面进行地质综合 解 释，并 进 行 时 深 转 换 和 获 取 深 度 成 果 剖面 。地质雷达法资料解释本次地质雷达数据处理使用意大利 公司的 处理软件，将野外采集的原始雷达探测数据，进行滤波、去除直达波、背景消除、线性增益、平滑增益、速度调整等各种数据处理，然后按一定比例直接生成地质雷达图像。探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录。地质雷达探测资料的解释包括两部分内容：一为数据处理，二为图像解释。图像处理包括消除随机噪声、压制干扰、改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。对接收到的反射高频电磁波进行分析，在存在溶洞等不良地质体或小裂隙位置情况下，易形成明显的弧型异常或多次反射现象，目标较小、埋藏较深以及介质电性差异不大时，可能看不到抛物线结构。识别干扰波及第 卷第期胡磊磊等：综合物探技术在石灰石矿山溶洞探测的应用研究图物探工作布置图 第四系上石炭统马平群中石炭统黄龙组中石炭统大埔组地质界线溶洞位置及编号物探测线目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。孤立目标体：典型的孤立目标体反射信号为抛物线形（或称为单支双曲线），如果目标较小或者埋藏较深，可能看不到抛物线结构。层状目标体：遇到两种介质的分界面，如果两种介质电性差异足够大，雷达图像上会有明显的同相轴；如 果 差 异 不 是 很 大，同 相 轴 会 很 弱 或 者 看 不见 。资料解释与成果分析 资料解释与综合分析在完成进行野外物探扫面工作后，为甄别异常的形态，更好的解释物探资料，选取了典型异常进行钻探查证。钻探查证后综合分析，因钻探所用的钻机为矿山钻炮眼所使用的钻机，均为机械破碎式钻进，钻出来的岩样已经变成粉末状，无法完整的取出岩心样，其次仅对大于 的溶洞感知较为敏感，对物探推断的非大于 空洞的裂隙无法准确判断。而且钻机钻探验证过程中存在钻杆垂直度不够的问题，造成深部物探异常钻探结果可能存在偏移的情况。对部分钻孔进行了钻孔电视摄像勘探，勘探过程中发现，从钻孔电视摄像图上可见，一部分钻探显示无灰尘的钻孔确实存在裂隙带发育，一部分钻孔为前期爆破回填造成的松散层异常。由此可见，本次物探工作的效果是较良好的。根据各剖面 和 地质雷达图像特征，并结合浅层地震映像法及钻孔电视摄像的成果、业主提供的开采前期原始地形图、地质情况等资料对各探测剖面进行综合地质解释，本次勘探区域物探异常共分为三类：第类为规模较大的溶洞或断裂破碎带等不良地质体，对矿山的生产造成较大的安全隐患，共推测圈定了类似异常 个，推断岩溶发育破碎带重点区域有 个；第类为规模较小的空洞、裂隙或软弱带，对矿山今后的生产不造成较大的安全隐患，共推测圈定了类似异常 个；第类为矿山矿 产 与 地 质 年前期爆破回填造成的空洞、裂隙或软弱带等，共推测圈定了类似异常 个（典型异常见图至图）。图 钻孔（线）物探剖面图 图 钻孔（线）物探剖面图 图 钻孔（线）物探剖面图 本次工作在推断的 个物探异常进行了查证，其中 个物探异常在生产过程中发现溶洞，个钻孔有含水、夹缝、松层、空腔等不同程度的异常，个孔为完整孔，综合物探准确率为 。部分钻探为正常的钻孔，物探异常类型与钻探异常的孔类似，推测可能为物探探测过程中，因雷达天线较大，尺寸为 和 两种，探测行进过程中可能与测量放点的直线方向存在 范围内的偏差，导致异常在平面位置可能也存在 范围第 卷第期胡磊磊等：综合物探技术在石灰石矿山溶洞探测的应用研究内的偏差。因此尽管钻探目前没有发现异常，但是在后期生产过程中，在物探推测的重点异常区域应该保持警惕，不能掉以轻心。物探勘查成果通过地质雷达、浅层地震映像法探测并结合钻孔电视勘探的成果、业主提供的开采前期原始地形图、地质情况等综合分析，共推测圈定了爆破回填异常 个，规模较小的空洞、裂隙或软弱带异常 个，规模较大的溶洞或断裂破碎带等不良地质体 个，推断岩溶发育破碎带重点区域有 个，异常位置全部标到物探剖面推断成果图上。从物探异常的推断情况来看，大部分规模较大的不良地质体呈 向发育，主要集中在南区东采 平台、平台，推断岩溶发育破碎带重点区域有四个区域，为 区，北区主采 平台有个推断岩溶发育破碎带重点区域，为区，以及北区西侧 平台有个推断岩溶发育破碎带重点区域的区。通过第二次进场勘探使用钻孔电视摄像的成果来看，部分钻探显示无灰尘的钻孔确实存在裂隙带发育，部分钻孔为前期爆破回填造成的松散层异常。在推断的 个物探异常进行了查证，其中 个物探异常在生产过程中发现溶洞，个钻孔有含水、夹缝、松层、空腔等不同程度的异常，个孔为完整孔，综合物探准确率为 。满足了业主要求的 以上的物探验证准确率，由此可见，本次物探工作的效果是较良好的。结论石灰石矿山岩溶勘察建议以地质雷达（高频、低频天线组合）为主，部分地质雷达取得的成果异常地段且地形地貌条件允许的区域辅助地震映像法、钻孔电视摄像等多种物探方法相结合的工作方式，如果接地条件较好的话，建议高密度电阻率法在成果异常段同步开展验证工作。结合本项目，各方法在石灰石矿山岩溶探测的效果如下：）高密度电阻率法：因石灰石矿山表面均为裸露灰岩，且灰岩较完整，地下水位低，接地情况不甚理想，高密度电法电流无法穿透高阻区，该类场地不适宜高密度电阻率法工作。）浅层地震映像法：因石灰石矿山同时进行生产作业，场区内不时有运矿车辆路过，且周边采石场频繁放炮干扰较大，造成地震映像法的剖面图异常较多不易判断分析，干扰较少的情况下可以拿来综合别的物探方法进行分析推断。）微动探测法：采集过程中实时显示面波勘探的纵向、横向分辨率较低，以及面波频散曲线随采集过程不收敛、不稳定。从面波频散曲线上看，出现一个或者连续拐点低速异常与实际地质情况差异较大，判断为假异常。从微动探测的结果来看，在该场地微动探测测量数据不准确，因此，该场地不适宜采用微动探测法进行勘探。）地质雷达勘探法：优点是效率较高，勘探效果较好，从采集图像可见，高频（频率以上）天线在浅部 范围内有较好的分辨率，爆破回填的异常及裂隙带清晰明显。而低频天线（频率以下）的采集图像因勘探深度大，故分辨率较低，在 勘探深度内勘探精度较低，推断的异常范围可能过大，适用于地质灾害超前预报方面效果较好；缺点为物探方法均具有一定的多解性，地质雷达对于低阻体的反应高于高阻体的反应，推断的危害较大的物探异常可能不完全是规模较大的溶洞或者断裂破碎带造成的，亦可能是规模较小的溶洞或者裂隙带充水等原因造成。参考文献：田丰，凌星概述石灰石矿山露天开采环境风险分析内蒙古煤炭经济，（）：，程世勇关于石灰石露天矿溶洞处理的安全措施露天采矿技术，（）：蔡宏杰，张华矿山爆破中溶洞的勘测与处理爆破，（）：陈军，赵永辉，葛双成，等探地雷达在马来西亚某石灰岩工地探测实例物探与化探，（）：向铭，陈永明地质雷达在探测灰岩溶洞裂隙中的应用西部探矿工程，（）：刘恒达基于等值反磁通瞬变电磁法的城镇岩溶探测研究矿产与地质，（）：王永生，张玉池高密度电法在灰岩地区找水中的应用矿产与地质，（）：孙汉武，熊彬，徐志锋，等高密度电法在垃圾填埋场勘探中的应用矿产与地质，（）：，卢胜辉，彭迪臻，龙秀洁，等物探技术在南方石漠化地区综合地质调查中的应用分析：以广西桂林龙虎乡为例矿产与地质，（）：黄理兴，王武林，张杰采用综合物探技术勘测岩溶分布的试验研究物探与化探，（）：杨进，武炜地球物理方法在地质灾害勘查中的应用物探与化探，（）：陈仕安广西贵港市石卡镇定详山水泥用石灰石矿北区勘探地质报告中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，宋劲，吴燕清，胡运兵，等探地雷达探测隐伏岩溶的可行性与实例分析河南理工大学学报（自然科学版），（）：矿 产 与 地 质 年 朱德斌，邓世坤，覃建波探地雷达探测潜在喀斯特地面塌陷区的可行性研究工程勘察，（）：邓居智，莫撼，刘庆成探地雷达在岩溶探测中的应用物探与化探，（）：广 西 壮 族 自 治 区 住 房 和 城 乡 建 设 厅广 西 工 程 物 探 规 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