全波列声波测井技术在露天边坡中的应用

原 野，陈占林，王 辉，施光林，文国良，郭利杰

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.哈密焱鑫铜业有限公司，新疆 哈密839000；3.青海鸿鑫矿业有限公司，青海 格尔木816000）

岩体完整性是指岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育程度，是岩体结构的综合反映，取决于结构面切割程度、结构体大小以及块体间结合状态等因素，是岩体工程中采用的概括性指标。因此，如何既科学又方便地评价工程岩体的完整性对岩石工程建设意义十分重大。目前国内外用以表征岩体完整性的指标较多，获取这些指标的方法主要有3类：①弹性波测试法，基于此法的评价指标有岩体完整性指数KV等；②岩芯钻探法，基于该法的评价指标有岩石质量指标RQD、单位岩芯裂隙数等；③结构面统计法，基于此法的评价指标有岩体体积节理数JV、平均间距dp等。这些评价方法各有优缺，且多数评价指标仅是从某一侧面反映了岩体的完整程度。

1 声波全波列测井技术的理论基础

在井孔中，决定声波传播特性的主要参数是井内流体与周围地层的性质、井眼大小、声源频率（或波长）以及传播距离等。当仪器上的声源被激发时，其产生的声波可以分为两类，一类是直接沿井传播的波，包括滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波和斯通利波（低频斯通利波又称为管波），即井中的模式波；另一类是声源辐射到井外的能量，它在地层中被地质构造界面反射回到井中并被仪器的接收器所接收，这些波在声波测井中称为反射波，它们的振幅比起井中的模式波通常要小得多。

声波全波列测井主要利用沿井壁传播的声波—滑行波，来探测井壁岩体的地质结构，该法可借助探矿钻孔进行探测，可对深部未揭露岩体完整性进行较为客观的评价［1－10］，我国在露天及地下矿山对全波列声波测井技术在多个矿山进行了应用尝试［11－13］，取得了较为满意的测试结果。全波列声波测井技术最大的优势是反映的岩体完整性不受爆破震动等外界因素干扰。将全波列测井技术应用于确定露天矿边坡岩体完整系数，特别是对深部未剥离岩体的完整性进行评价，对露天矿山边坡工程地质分区划分、边坡稳定性分析、边坡角优化等研究具有重要的指导意义。本文以土屋铜矿露天边坡为依托，研究全波列声波测井技术对工程实践的指导作用。

2 工程应用实践

2.1 工程概况

新疆土屋铜矿矿区矿体靠近矿区内较大的F16断裂破碎带，岩矿破碎，完整性差，岩石及矿石的稳固性相对减弱，开采时容易出现局部滑坡和崩塌等地质灾害。在矿山开采初期开展矿区边坡稳定性分析及边坡角优化所需的岩体完整系数的工作，有助于确定矿山安全可靠、经济合理的整体开采规划设计方案，减少后续开采过程中由于前期设计参数的不适宜而造成的经济损失，从而实现矿山安全高效开采。

2.2 全波列声波测井

声波的传播速度用因岩层不同而产生差异，同一岩层的声波传播速度也会因程度不同产生变化。随着岩体裂隙发程度的变化，声波波速也会发生变化，对声波速度产生较大影响的因素主要有裂缝、溶洞等。岩体裂隙发育，则声阻抗较大，波速相对较低，反之亦然。

表1 波速测试工作量统计表

全波列波速测试的任务是通过测量各勘察钻孔的不同深度的岩体及岩芯的纵波速度，计算其完整系数，以此了解岩石的完整性、岩石类别及风化层的特征，为露天边坡设计提供依据。要形成对整个露天采场的完整性的深入认识，必须进行大量的测试。土屋铜矿全波列声波测试总深度750.5m、总次数853次。声波测试工程量统计见表1。

2.3 测试结果完整性评价

在采集现场数据的基础上，需要对现场岩体声波测试数据进行室内软件分析处理，结合室内岩块声波测试的结果综合评判勘察范围内岩体的完整程度。同时对测试的波形进行判读，判读处理见图1。

根据相关勘察国家标准［14－15］，将土屋铜矿补充勘察钻孔的完整程度划分为较完整、较破碎、破碎、极破碎四个等级；结合土屋铜矿的钻孔补充勘察的工程地质编录结果，根据岩石质量指标RQD，划分为较好的（RQD＝75～90）、较差的（RQD＝50～75）、差的（RQD＝25～50）、极差的（RQD＜25），采用3DMine矿山软件对各个钻孔的完整程度和RQD值进行了统计，具体如图2所示。

图1 现场测试数据处理结果示意图

图2 钻孔完整性分布图

总体来看，土屋铜矿岩体的声波测试结果与工程编录结果有很好的对应关系。分析结果显示土屋铜矿露天边坡的完整程度相对较差，以较破碎、破碎和极破碎为主，较完整只在D孔深部出现，可能预示露天转向深部开采时，岩体质量将会得到一定改善。

通过各个钻孔的实测结果，分析其对露天边坡工程地质分区的指导作用如下所示。

1）以C孔、G孔为代表的、处于F16断层影响范围内的工程地质岩体完整性相对较差，基本以破碎、极破碎为主，由于F16断层为大倾角逆断层，最大主应力方向垂直于断层的走向方向。因此，在于F16断层相交的东西两侧边帮上，受到最大主应力的夹持力作用，F16断层不会对最终边坡稳定性产生直接影响，其影响主要是逆断层成岩过程中的成分复杂、岩体呈极破碎泥质胶结状态，受到地下水及风化等的影响，可能引起次生地质灾害。

2）D孔、E孔岩体质量相对较好，边坡角优化时可考虑适当提高角度，但要注意以较破碎岩体为代表的弱面、潜在滑移面对整个北侧边坡的影响。

3）B孔处于次闪长玢岩与安山岩和玄武岩等不同岩性成岩期交替变化的部位，岩体质量相对较差，因此，可考虑将B孔与C孔为代表的区域划分为一个工程地质分区。

4）A孔、F孔以安山岩和玄武岩为代表，掺杂少量角砾熔岩，通过钻孔完整程度可以看出，A孔质量相对较好，总体来看，可与F孔划分为同一区域，南侧未来边坡的稳定性受到较破碎为主的弱面、潜在滑移面的影响。

3 结论

分析全波列测井信号属性参数的特征及其变化规律，可以较准确地反映软弱夹层的位置、层厚度，评价裂隙带的渗透性。从而可以有效的划分岩层，识别岩性，求得岩体完整性系数，对露天矿边坡岩体完整性做出评价，对边坡稳定性分析及边坡工程的防治设计提供重要依据。

声波测井技术成功应用于评价新疆某露天矿边坡岩体完整性，为矿山设计和工程地质分区的划分提供依据，该法可为类似矿山评价边坡岩体完整性借鉴。

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