综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用.pdf

总第807期第13期2023年7月河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程收稿日期：2023-04-13作者简介:郝海强(1982)，男，硕士，工程师，研究方向：地球物理方法技术研究及应用。综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用郝海强1,2王建国1,2刘大全1,2韩利辉1,2（1.华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021；2.自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心，河北石家庄050021）摘要：【目的目的】为了快速高效完成拟建坝前截渗墙场地勘察工作，需要对物探方法在勘察工作中的可行性进行研究。【方法方法】利用瞬变电磁法和天然电场选频法相结合的综合物探方法施测，充分发挥瞬变电磁法多匝小线圈探测分辨率高和天然电场选频法设备轻便灵活、适应性强等优势。【结结果果】两种方法相互印证，解决了单一方法多解性问题，提高了勘察精度，圈定了易渗漏区段，为钻探布置和截渗墙设计提供了支撑。【结论结论】综合物探方法在场地勘察中具有效率高、成本低、精度好的优势，在同类地区场地勘察中值得推广应用。关键词：截渗墙；场地勘察；瞬变电磁法；天然电场选频法；综合物探中图分类号：P642.22；P631文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0058-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.011Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in theInvestigation of Impervious Wall of Tailings ReservoirHAO Haiqiang1,2WANG Jianguo1,2LIU Daquan1,2HAN Lihui1,2(1.North China Engineering Investigation Institute Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021，China;2.Technological Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for MetalMines,Ministry of Natural Resources,Shijiazhuang 050021，China)Abstract:Purposes In order to quickly and efficiently complete the site investigation of the cut-off wallin front of the proposed dam,it is necessary to study the feasibility of geophysical prospecting methods inthe investigation work.Methods The comprehensive geophysical prospecting method combining transient electromagnetic method and natural electric field frequency selection method was used to measure,giving full play to the advantages of high resolution of multi-turn small coil detection of transient electromagnetic method and light,flexible and adaptable equipment of natural electric field frequency selectionmethod.Findings The two methods confirm each other,solve the problem of multiple solutions of asingle method,improve the survey accuracy,delineate the easy leakage section,and provide support fordrilling layout and cutoff wall design.Conclusions The comprehensive geophysical prospecting methodhas the advantages of high efficiency,low cost and good accuracy in site investigation,and should bepopularized and applied in site investigation in similar areas.Keywords:impervious wall;site investigation;transient electromagnetic method;natural electric fieldfrequency selection method;comprehensive geophysical prospecting0引言尾矿库在国民经济发展中占据着重要的地位。据不完全统计，截至2017年底，我国现有尾矿库 7 793座1，尾矿库一旦渗漏势必会对周边环境造成严重污染，已引起高度重视。坝前截渗墙是解第13期59图1电阻率与介质孔隙度和含盐饱和度的对应关系（a）盐水饱和度（b）孔隙度决尾矿库渗漏问题的有效方法之一，已得到广泛应用，能否科学、合理、低成本解决问题的关键在于前期勘察工作的准确性，工程钻探及相关试验是最直接有效的方法，但由于钻探工作只能在某些点上开展，难以形成连续的勘察效果，而综合物探方法2-4连续性优势能够弥补其缺陷。本次工作在内蒙古自治区赤峰市林西县某矿山尾矿库坝前截渗墙勘察中使用了瞬变电磁法和自然电场法相结合的综合物探方法，圈定了可能发生渗漏的区段，为后期钻探勘察孔的布置和截渗墙设计提供了依据，对同类工作具有一定的借鉴意义。1工作区地质特征以往工程勘察资料显示，拟建截渗墙场地地层主要为第四系（Q4）覆盖层及第三系地层，地层及岩性自上而下为第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl），岩性为粉土，揭露层厚 0.3013.7 m，揭露层底标高750.31810.26 m；第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，岩性为粉质黏土，下部含有少量砾石，揭露层厚2.306.60 m，揭露层底标高 786.19791.36 m；上第三系岩层(N)，岩性为安山岩，黏性土充填，极破碎，揭露层厚0.403.90 m，揭露层底标高753.78809.66 m。勘察场地所在区域位于大兴安岭新华夏系构造带之南端及燕山弧形构造带之北的过渡地带。主要构造形迹有华夏系构造、新华夏系构造和东西向构造等。华夏系和新华夏系主要表现为多字形构造。组成岩性大多为二长花岗岩、玄武岩、粉砂质板岩、凝灰岩等，剥蚀地貌；根据区域地质资料，断层均为非全新活动断裂，已处于稳定状态。现场踏勘调查及钻探资料显示，场地内未发现影响场地稳定性的活动断裂。勘察场地周边仅尾矿库内钻孔见有地下水，类型为潜水，稳定水位在792.57794.18 m，含水层为粉土，受大气降水及生产用水年差异性补给，水位变化幅度为 1.03.0 m。勘察区具有从丘陵到河谷洼地的地下水补给、径流、排泄的全过程，但地下水运动缓慢，交替弱。尾矿库库底表层为粉土，植被发育一般，富含植物根系，利于降水入渗，但因没有较好的赋水空间，降水渗入之后，一部分蒸发排泄，一部分向下游运移，补给第四系地层。蒸发是该区的主要排泄方式，该区地下水的水化学类型一般为 HC03-CaNa 或 HC03-NaCa 型，矿化度小于1 g/L。2地球物理特征电阻率与地层的岩性、岩石孔隙度及岩石孔隙中液体的性质有着十分密切的关系。电阻率与介质孔隙度和含盐饱和度的对应关系如图1所示，从图1的实测结果可以看出，电阻率对孔隙度和含盐饱和度的变化量具有明显的作用，当地层出现破碎、密集微裂隙时，便会出现更加灵敏的反应。因此电阻率法探测对识别地层渗漏、溶洞、断层、破碎带及其污染源等方面非常有效。本次勘察工作是为了查明截渗墙底部岩层的水文地质条件及尾矿库坝前截渗墙底部岩层裂隙发育程度与分布规律。主要的探测目标为地下含水层及裂隙带，利用裂隙与围岩间明显的电阻率差异，瞬变电磁法与天然电场选频法对其具有较好的分辨能力，因此在勘察场地采用这两种物探方法是可行的，具备地球物理勘探的前提条件。3野外工作方法与技术3.1物探技术方法的选择目前，国内外水工环勘察主要方法手段以钻探、水文地质试验和地球物理勘探为主，作为基本电阻率/（ohmm）102101100105104103020406080100ResistivityVelocity电阻率/（ohmm）102101100105104103速度/(m/s)速度/(m/s)盐水饱和度/%0102030405060Velocity电阻率孔隙度/%郝海强，等.综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用60第13期技术手段的地球物理勘探技术具有显著优势和重要作用。由于单一物探方法只能测定一种主要的地球物理参数，解译过程中具有多解性，在勘探中往往具有一定的局限性，不能满足获取更多地质信息的需求，两种及两种以上的综合物探方法能够相互印证，可降低解译的多解性，已成为勘探中常用的方法。根据本次工作目的与任务，结合现场地形地貌及当下工作区夜间温度已低于-10 的情况，地下冻土层早已存在，由气象资料可知土壤冻结深度在1.80 m左右，电阻率法等接触类方法在该区无法开展工作，为此选择了瞬变电磁法5和天然电场选频法6两种物探方法开展勘察工作。其中，天然电场选频法仪器设备轻便，数据接收探头小巧灵便，数据采集过程不受地形地貌及地表植被影响，可沿防渗墙中轴线开展工作，但由于选取天然场中部分频点数据作为信号源，对地层精细划分方面稍显不足；瞬变电磁法由于采集数据信息属二次场信息，受地形影响小，探测精度高，微小地质体可在探测结果中显示出来，但发射和接收线圈受地表植被影响大，若有树木和高大灌木丛则无法开展工作。两种方法相结合，既克服了选频法探测精度不高的缺点，又克服了瞬变电磁法难以以直线为测线的不足，在解释过程中两种方法互为印证，可达到本次勘察目的，取得良好探测效果。3.2工作原理及参数瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发送一次磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，通过在地面观测和研究测量线圈观测到的二次涡流磁场感应电动势随时间变化规律，获取地电分布信息，达到勘察目的的物探方法。良好的勘察效果取决于合适的工作参数，本次数据采集所用的仪器为重庆奔腾数控技术研究所生产的 WTEM-1Q型浅部瞬变电磁勘探系统，装置类型为中心回线装置：发射线圈正方形回线，边长5 m，发射线圈8匝，接受线圈正方形回线，边长5 m，接收线圈匝数9匝。数据采集仪器参数为发射频率4 Hz，供电电压19 V，关断时间86 s，发射电流4.8886.935 A，前放增益8，主放增益32。天然电场选频法是以地下岩土体的电性差异为基础，利用大地电磁场为场源的一种物探方法，通过沿剖面逐点测量不同频率的大地电磁场在地面产生的电分量(磁分量)变化情况，得出反映地电信息的电性剖面，以达到解决工程地质等问题的目的。本次工作使用的是上海艾都能源科技有限公司生产的ADMT-100S型选频仪，数据采集使用平行移动法观测方法，测得的M、N之间的电位差记作Us，以MN的中点O为记录点，曲线为Us异常曲线，使用磁场探头代替电场方法进行探测。3.3测线布置本次截渗墙勘察布置了瞬变电磁法勘探线 2条，测线点距5 m。其中，测线1#：测点编号为jk1jk23，测线方向为北东南西向；测线2#：测点编号为Pt1Pt99，测线方向为北东南西向，瞬变电磁法测线布设示意如图2所示。布置选频法勘探线1条，测线点距5 m测线编号为1#，测点编号为jk1jk100，测线方向为北东南西向，天然电场选频法测线布设示意如图3所示。测点布设以1 1 000地形地质图为基础，由测量人员根据理论坐标采用科力达k9型RTK确定各物探点的实地位置，将写有点号的红布条系在使用过的一次性筷子上定在勘察场地作为标记，方便测量过程中准确定位。4物探资料处理与推断解释4.1资料处理瞬变电磁法资料处理使用吉林大学的 Geo图2瞬变电磁法测线布设示意图3选频法测线布设示意郝海强，等.综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用第13期61Electro 电法数据处理系统，全部过程由计算机计算、处理完成，主要包括以下几个步骤：原始资料验收，数据导入与格式转换，数据截断与光滑，瞬变电磁响应多测道电压剖面图绘制，视电阻率的计算，反演计算及成图。选频法资料处理首先将数据传入计算机，使用suffer制图软件对原始数据进行初步处理，再使用艾都智能处理软件调入初步处理的剖面数据，进行场源处理、深度计算等，最后使用suffer制图软件对深度文件绘制视电阻率剖面图。4.2推断解释4.2.1瞬变电磁法2#剖面解释推断。瞬变电磁法2#剖面经处理后生成了电阻率对数值断面如图4所示。由图4可知，表层电阻率呈现相对高阻特征，说明第四系覆盖层与岩体强风化带内含水性较差，在剖面深度 2070 m范围内电阻率基本连续且呈现低阻特征，但低阻有高有低，说明此段地层岩体裂隙带内相对含水，地层具有一定渗透性，且连通性不均匀。沿剖面延伸方向，视电阻率存在垂向低阻特征，且垂向贯通，说明有垂向裂隙带存在。垂向裂隙带分别位于剖面 050 m、100150 m、310370 m 和 410490 m 位置，对应测点点号为Pt1Pt11点、Pt21Pt31点、Pt63Pt75点、Pt83Pt99点。4.2.2瞬变电磁法1#剖面解释推断。瞬变电磁法1#号剖面通过对原始资料进行处理，获得了二维视电阻率剖面图，并作出了对数值剖面图，如图5所示。由图5可知，表层视电阻率呈现相对高阻特征，说明第四系覆盖层与岩体强风化带内富水性较差，在剖面深度1560 m范围内视电阻呈现基本连续低阻特征，但低阻有高有低，说明此段地层岩体裂隙带内相对含水，地层具有一定渗透性，有些部位连通较好，有些部位连通较弱。沿剖面延伸方向，040 m处电阻率存在垂向低阻特征，且垂向贯通，垂向深度在 40 m 以下，说明有垂向裂隙带存在，对应测点点号为jk1jk8点。剖面视电阻率低阻带呈现从该剖面终点向剖面起点倾斜的特征，倾斜角度45左右，该特征与瞬变2#剖面一致，说明此段赋存向剖面起点倾斜富水裂隙层面。4.2.3天然电场选频法剖面解释推断。天然电场选频法1#号剖面通过对原始资料进行处理，获得了二维视电阻率剖面，并作出对数值剖面图，如图6所示。通过对视电阻率剖面图分析，位于测线100180 m处，视电阻率具明显的高阻异常特征，垂向为直立倾向的高阻，推断为贯穿地表的裂隙带反应，结合地质和水文地质资料，推测上部因疏干作用不含水，但下部应含水，具有较好的渗透性。在剖面300495 m处，底部视电阻率较低，说明底部裂隙富水，且具有一定渗透性。在沿剖面045 m处，呈现垂向贯穿的相对低阻特征，说明存在垂向低阻裂隙带，具有一定渗透性。剖面上各渗透段对应的点位为jk1jk10号点、jk21jk37号点、jk61jk100号点。4.2.4物探资料综合解释。通过对瞬变电磁法和选频法测量资料的综合分析，结合地质资料，在勘察范围内第四系和基岩强风化带的富水性相对较弱。对比不同剖面的视电阻率低阻特性，视电阻率低阻特征具有一定的对应性，说明剖面之间具有一定的连通性。根据现场调查得知，测区内曾有两口水井，有一郝海强，等.综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用图5瞬变电磁法1#视电阻率断面等值线020406080100距离/m0-20-40-60-80-1000-20-40-60-80-100深度/m1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0图4瞬变电磁法2#视电阻率断面等值线jk1jk3jk5jk7jk9jk11jk13jk15jk17jk19jk21jk2362第13期定水量，但水量很小，水位在2025 m，推测渗透能力较弱。沿剖面方向，在深度1575 m范围内存在富水裂隙，剖面之间有连通的富水裂隙，具有一定的渗透性，其裂隙发育深度大于100 m。根据 2条物探剖面垂直富水裂隙的物探异常特征及空间关系，在勘察范围内推测出3段渗漏区域，物探综合解释推断成果如图7所示。此外，在勘探过程中，尽管加长了勘探线的长度，勘探线的首尾端点仍存在低阻垂向含水裂隙带特征，不能排除坝前截渗墙两端部位渗透的可能性。5结语在冰冻期无法利用接地类物探方法进行场地勘察时，通过瞬变电磁法和天然电场选频法测量，获取了勘察范围内尾矿库坝前截渗墙底部地层的水文地质条件以及地层裂隙发育程度与分布规律，圈定了可能发生渗漏的区段，为后期钻探孔位布置和截渗墙设计提供了基础性资料。物探方法成本低、效率高，在水工环勘察工作中具有一定优势，应广泛推广应用。参考文献:1 甘海阔，周汉民，崔旋，等.尾矿库防渗技术及防渗土工材料应用现状分析 J.中国矿业，2019，28（12）：170-175.2 龙思帆，王显光，陈海波，等.综合物探在防水灾中的应用：以某尾矿库大坝渗漏为例 J.城市与减灾，2023（1）：41-45.3 郝海强.综合物探方法在某铜多金属矿勘探中的应用 J.山西建筑，2017，43（4）：92-93.4 杨卫国.综合物探方法在某水库渗漏勘察中的应用J.资源信息与工程，2023，38（1）：50-54.5 徐洪苗，胡俊杰，彭青阳，等.瞬变电磁法在岩溶地区地基勘察中的应用 J.工程地球物理学报，2017，14（2）：206-210.6 蔡力挺，韩玉庆.天然电场选频法在工程物探中的应用效果 J.西部探矿工程，2009，21（4）：151-153.图6选频法1#视电阻率断面等值线图7物探综合解释推断成果一般高程点等高线首曲线等高线计曲线加固集水坑房屋岸线水面排水沟干滩自然斜坡溢流管物探测点物探测线物探探测渗漏图例郝海强，等.综合物探方法在尾矿库截渗墙勘察中的应用