综合物探方法在石灰岩矿岩溶勘察中的应用

周富隆

（华润水泥(南宁)有限公司，广西 南宁 530043）

狗头山矿区水泥用石灰岩露天矿位于广西南宁市西乡塘区双定镇。该地区岩溶发育，开采技术条件复杂，在矿山开采过程中不断出现岩溶塌陷，给矿山的生产运营带来了极大的危害。据统计，矿山从2011年至2017年5月累计发现的溶洞多达104处，其中引发较大规模地面塌陷的溶洞达18处，因岩溶引起地面塌陷造成的人身伤害事故1起、险肇事故8起，严重威胁矿山的安全生产。因此，采取有效的工程技术手段，查明矿区隐伏岩溶的位置、空间形态和规模范围，及时采取有效的防治措施，消除安全隐患，对矿山安全生产具有十分重要的意义。

传统的矿山地质勘查工作普遍采用地质钻探的勘查方式，但因钻探工作效率较低、工程周期过长、工程成本高，不能快速开展大范围的勘查工作，无法满足矿山生产运营过程中及时发现岩溶塌陷隐患、有效开展防治的工作要求。而工程物探具有高效、数据采集密度高、工程成本低等优势，在工程建设中得到广泛应用。随着工程物探理论和技术的不断发展和成熟，越来越多的工程物探方法在岩溶勘察工作中应用和实践，并得到有效验证，因此采用物探方法开展矿区的隐伏岩溶勘察具有应用基础。但受现场条件的限制，目前的很多物探方法在实际应用过程中往往存在探测结果的多解性，单一的物探方法很难准确圈定隐伏岩溶的具体位置和空间形态。因此，需要根据现场实际条件，正确选择和运用多种物探方法进行综合物探和相互验证，才能提高物探结果的准确性。

考虑到矿山已经开采多年，采场平面为电阻率高、接地性差的石灰岩，电阻率中梯法和高密度电法因电极不能插入坚硬的石灰岩面，电流无法穿透高阻区，故拟选用瞬变电磁法、地质雷达法和浅层地震映像法相结合的方法开展矿山岩溶勘察工作。

1 物探方法及原理

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法简称TEM，其基本原理就是电磁感应定律，即利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，从而探测介质电阻率，通过介质电阻率的变化进行反演、推断。瞬变电磁法可以采用同点组合进行观测，使与探测目标物耦合最紧，取得的异常响应强，形态简单， 分层能力强，具有测地工作简单、工作效率高、探测深度大的优点[1]。在石灰岩地区，完整基岩的视电阻率呈高阻，在灰岩区其低阻异常区为岩溶发育区，干燥的溶洞空洞反映为高阻闭合圈；洞构造破碎带呈明显低阻异常，且纵向延伸大，有明显的视电阻率梯度异常，因此具备应用前提条件。

1.2 地质雷达法

地质雷达(GPR)是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法，其理论基础为高频电磁波理论[2]。地质雷达向地下发射高频电磁脉冲，在电磁波向地下传播的过程中如遇到电性差异的岩溶、破碎带、含水层等不同电性介质的分界面时会产生反射，天线接收反射波信号后再通过进一步的信号处理和解释即可确定地下的地质构造形态和分布。在石灰岩地区，完整石灰岩的电阻率很高，而粘土、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，可从雷达信号区分出来。本次选用地质雷达法开展石灰岩矿的岩溶勘察具备应用前提条件。

1.3 地震映像法

地震映像法是通过地表人工激发产生地震波，当向地下传播的地震波遇到波阻抗不同的界面时，就会发生反射、折射和透射[3]。利用检波器将反射波和折射波到达地面所引起的微弱振动变成电信号，送入地震仪经滤波、放大后整理、分析、推解，得到地震影像剖面图，进而推算出不同地层分界面的埋藏深度、产状、构造等。

2 物探方法有效性试验

为验证物探方法的有效性，并为各物探方法选定工作参数提供参考依据，在进行大范围的物探工作前，技术人员先选择在矿区242m采场已出现岩溶塌陷的区域进行物探方法有效性试验。通过沿已知的14#岩溶塌陷回填区布置170m长的探测线，观察三种物探方法对14#岩溶塌陷回填区的反应来验证这三种物探方法的有效性。试验工作中，瞬变电磁法采用ATEM瞬变电磁观测系统，采用重叠回线装置进行观测，工作参数为：供电电流40A，叠加次数200，供电频率25Hz，点距5m；地质雷达检测采用了意大利IDS公司生产的RIS-K2最新型探地雷达设备，天线选择80MHz屏蔽天线和25MHz非屏蔽天线，天线距1.00m，采样点距0.50m，采用连续测量方式；浅层地震检测采用的是重庆地质仪器厂开发研制的DZQ48/24/12-2A高分辨地震仪。三种物探方法的探测结果分别见图1、图2和图3。

图1 瞬变电磁法试验剖面图

图2 地质雷达法试验剖面图

图3 浅层地震影像法试验剖面图

如图1所示，瞬变电磁法反演剖面显示有4处明显的低阻异常，其中，25m处的低阻异常形态狭小直立、规模较小，推断为岩溶裂隙发育引起，深度约10m；60m处的异常宽约10m，异常体近似直立，推断为岩溶发育，深度约15m；90m处的异常推断为岩溶发育，深度约20m；152m处的异常呈直立状，宽约8m，几乎与地表相通，该异常所在就是14#溶洞坍塌回填区的位置，是14#溶洞的反映结果。而图2所示的地质雷达法反演剖面图同样有4处明显的单支双曲线反射异常，其中，在10m及25m处的-22m至-33m深部存在相对明显的雷达波双曲弧形反射界面，表明雷达波在这两处位置产生绕射波，推测为规模较小的岩溶异常在雷达剖面上的反应；63～93m处的-21m至-53m深部存在非常明显的连续单支双曲线反射异常，推断该异常为规模较大的岩溶异常在雷达剖面上的反应；而位于152m处的14#溶洞塌陷回填区的-4～-43m同样存在双曲线反射异常。

综合分析对比瞬变电磁法和地质雷达法的探测结果，表明这两种物探方法对14#岩溶塌陷回填区的反应是明显的，而且对探测线上的另外3处未知岩溶异常的反应结果也大致相同，但在具体的位置和分布范围上有所偏差。经过相互对比、反演，推测探测线上的另外3处岩溶分别在23m、62m和92m，埋深(宽度)分别为10～31m(3m)、15～53m(3.5～8m)和20～55m(0.5～10m)，综合物探成果反演推断的岩溶分布情况见图4。经钻探验证，地质雷达法反演的10m处未发现异常地质情况，而推断位于23m处的3-R1在13～25m埋深处为填充的岩溶松散层，62m处的3-R2在12～27m埋深处为填充的岩溶，92m处的3-R3在19m以下为岩溶空洞。钻探验证结果说明，瞬变电磁法和地质雷达法对岩溶探测的结果是准确、有效的，但同时也表明了单一的物探推断可能出现误判，需要多种物探方法综合验证才能保证勘查工作的质量。

图4 综合物探反演的岩溶成果剖面

浅层地震映像法因采场内的铲装、运输设备持续作业，干扰的震动源较多，加之采场在经过爆破后产生较多的裂隙和破碎层，上部破碎层对反射波的散射使得所采集的数据可靠性不高，造成地震映像法的剖面图异常较多，不易判断、分析。试验证明，浅层地震映像法不适用于生产矿山的岩溶探测。

3 综合物探实践成果与验证分析

3.1 综合物探实践成果

根据前期的物探方法有效性试验结果，矿区的岩溶勘察工作采用瞬变电磁法和地质雷达法相结合的综合物探方法。考虑到矿山采用自上而下水平分层台阶开采方式，以14m的台阶高度作为一个开采台阶进行多台阶同时开采，而容易对当前矿山的生产造成较大安全隐患的岩溶为隐伏在采场浅层的规模较大的空腔岩溶或松散填充岩溶，因此需要开展浅部分辨率和精度较高的探测；为兼顾开采程度较低的矿段，并为以后的生产提供安全预警信息，则还需要对采场下部的2～3个开采台阶(深度约42m)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。

根据矿山生产的实际情况以及物探方法有效性试验结果，为了使浅部7～14m范围有较高分辨率，探明浅部裂隙、溶洞等对矿山生产造成危害的不良地质体，地质雷达法在原选用的80MHz屏蔽天线测线的基础上，增加200MHz中心频率一体化屏蔽天线探测线。80MHz和200MHz中心频率测线的采样线距为5m、点距0.50m、采样长度512点；为了获得较大的勘探深度，掌握采面下不小于42m范围内的岩溶发育情况，测量时选用25MHz中心频率天线，采样线距在80MHz和200MHz中心频率测线的基础上进行加密，将采集线距提高到2.5m、点距0.2m、采样长度1 024点，采用连续测量方式。而瞬变电磁法采用5m线距、2m点距进行信息采集，物探测线的布设使用高精度RTK实时动态控制测量系统，测线与地质雷达法的80MHz及200MHz中心频率测线重合。物探勘查工作在矿区0.364km2的范围内共布设了273条25MHz频率、137条80MHz及200MHz频率的地质雷达测线以及137条瞬变电磁法测线。受天气影响，物探勘察工作分三个阶段实施，经过26天的野外测量和9天的数据分析、整理，累计完成探测剖面94.41km，综合物探勘查工作完成情况见下表。

矿山岩溶综合物探工作统计

经过地质雷达测线剖面和瞬变电磁法视电阻率反演剖面图的分析、推断和理论验证，本次综合物探工作推断、圈定了172处岩溶异常。其中，推测圈定埋深较小、规模较大、可能对矿山的生产造成较大安全隐患的溶洞或断裂破碎带等不良地质体有32处，推断岩溶发育破碎带重点区域有11处，推测、圈定规模较小、对矿山今后的生产不造成较大安全隐患的空洞、裂隙或软弱带有129处。

3.2 物探成果钻探验证与统计

为验证综合物探成果的准确率，矿山采用抽样钻探方式进行成果检验。由于矿山生产使用的一体化潜孔钻机的最大钻孔深度为27m，因此，抽样验证只筛选了67处埋深＜27m的岩溶异常进行钻探验证。

经对推断、圈定的67处岩溶异常进行钻探验证，共确认有36处为岩溶及破碎带，3处为富水岩层，物探成果验证准确率为53.7%。

3.3 物探验证结果分析

通过对整个物探工作的综合分析总结，认为影响物探成果准确性的因素主要有以下两方面：

(1) 物探成果图像解释和异常识别是一个经验积累的过程，除了选择准确的方法和参数，获得高质量的图像外，还需正确的判别异常才能获得可靠、准确的探测解释结果。在物探工作中，设备在接收有效信号的同时，不可避免地接收到各种干扰信号，如果不能准确识别干扰波及目标体的图像特征，将会出现误判、漏判，从而影响物探成果的准确性。在勘察工作后期阶段的矿山生产中，就发现有勘查区内的6处岩溶异常未在物探成果中得到异常反映。

(2) 物探方法具有一定的多解性，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，亦可能是富水岩层等原因造成。由于整个勘查工作持续了较长的时间，期间受降雨影响，勘查区内的部分采场表面存在积水、采场下部岩层含水率变化，这些因素都会对信息的采集产生影响，如在物探的数据处理、分析过程中未分别采取合理的参数进行甄别、过滤处理，将容易出现误判、漏判。

4 结语

通过本次对水泥用石灰岩露天矿开展大规模的岩溶探查、钻探验证和岩溶勘察工作的总结，积累了宝贵的经验，也得到了失败的教训。工程实践表明，物探方法在石灰岩矿山岩溶勘察方面是具有应用价值的。其中，地质雷达法在本次的勘察实践中对岩溶异常的反应最灵敏、最准确，效率最高，可作为未来石灰岩矿山岩溶勘察的主要物探方法。同时需要注意的是，地质雷达易受到外界干扰，干扰源对雷达数据采集的准确性影响很大，在数据分析、处理过程中需要认真加以辨别、确认。

相较于传统的钻探方式，物探方法在矿山岩溶勘探方面更具有技术优势和应用前景。但受使用环境、场地地质因素、物探方法的技术特点等多方面的影响，单一的物探方法都有各自的局限性，必须采用综合物探方法才能充分利用各种物探方法的技术优势，从而使探测成果更加准确、可靠。

本次物探工作为今后的石灰岩矿山岩溶探查工作积累了实践经验。随着物探方法理论与技术的发展，以及物探实践经验的不断积累，物探方法在岩溶勘察方面的应用成果将会不断扩大，未来通过综合运用多种物探方法开展石灰岩矿山的岩溶勘察将会取得更显著的成果，并为水泥矿山的安全生产作出更大的贡献[4]。