在矿山采区地质勘查中的物探技术研究

刘代虎

（河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院，河南 郑州 450000）

近年来，各地区地质灾害日益频繁，且地质资源开发效率降低，为提高矿产资源利用率，维护矿区地质安全，我国对地质勘查工作给予高度重视，并加大资金与人力投入，使物探技术在地质勘查中得到普及。在实际勘查中，从业者应根据地质工程实际情况选择恰当的勘查技术，如激光扫描、电法物探、电磁探测等等，由此提高勘查效果，更好的了解地球内部构造，为资源与环境监测提供技术支持。

1 物探技术的勘查原理

地勘技术的作用在于防御和治理地质灾害，针对地质灾害频发区的地质架构、地形特点、灾害形式和严重度综合分析，为后期灾害防治争取时间。在技术应用中经常用到遥感、计算机技术、物探与钻探科技等。其中，物探技术具有准确度高、实用性强、迅速快捷等特点，可广泛应用于矿山地质勘探。通过该项技术的应用，可对密实性较强的地质类型进行调查，为从业者提供准确可靠的数据支持，特别是开采区、滑坡区等地质灾害多发区的勘查方面，效果更加显著。该项技术的基本原理可分为两种，具体如下。一种是浅层地震映像原理，主要依靠人工矿震波在矿层、土层与其他介质中传递，当人工矿震源形成的矿波处于介质中床底，因矿层密度有所区别，对波的传递速度产生影响，待波传递到矿层分界处时，便会产生反射与折射，此时物探人员便可利用专业设备分析矿震波的形状、时间等变换规律，由此知晓矿层位置、特性与整体结构。该原理主要适用于不同监测点波形记录，可在相同距离下收发信号，结合抗震波时间变换规律发觉地质层中的异常物；另一种为高密度电阻率原理，属于直流电阻法，通过应用可将三维可视电阻率断面展现出来。在现实应用中，物探人员可将相应材料反演处理，并与多排列电阻率融合，以地质层导电差异为依据，利用一次性电极排布的方式获取横纵断面架构的特征数据[1]。

2 物探技术在矿产勘查中常用的勘查技术

2.1 电法物探技术

该技术采用不同类型的电极设备，从横纵两个方向探究物体的电性区别。当前，该技术多选用高密度的测量系统进行地质勘测，尤其是在地质坍塌、滑坡、水渗透等方面效果十分理想，不但可检测地质电性区别，将周围问题介质发掘出来，还可依靠断裂破碎矿化产生的低阻异常变化，将电阻率变化趋势以曲线图的形式描绘出来。在该技术应用中，如若技术人员利用网络并行电法进行地质问题勘测，首先要结合地质介质电性变换情况进行分层，再结合测线曲线图进一步分析矿层情况。在此期间，主要依照电阻率范畴进行层位区分，将数值小于208m的范围界定为浅部松散区，并对矿层位置细致分化，使电阻率在20*Ω m～40*Ω m之间的定义为基岩风化段，对于电阻率超过40*Ω m的定义为相对完整矿层。根据上述区分方式，在不同断面图中展现出来，针对电阻率超过50*Ω m的可看成是矿层对电性的反馈，对于不超过50*Ωm的可看成微矿体发育期间的电性反映，然后进行二次钻孔检验，使地质勘查更加准确可靠[2]。

2.2 电磁技术

在矿物开采中，电磁技术的应用收效显著。近年来，研究人员逐渐发现电磁技术可利用地下各类矿石导电性、导磁性不同，采用精密仪器进行电磁探测，由此得知矿物质类型，为开采工作提供科学准确的指导依据。基本原理是利用电磁感应，根据仪器所得的感应数据探测地下产物的构成与类型，对地下物质的损害较小，可准确判断地质资源类型与规模，为地质探测提供科学指导。

2.3 电测技术

与其他物探技术相比，电测技术的问题解决能力较强，应用频率较高，通常根据某岩石或者矿物质参数进行勘查。在矿产勘查方面与电磁法相似，还可探寻金属/非金属、地下水等能量物质，应用范围相对更广。主要用于金属矿防治水工作，对金属矿与周围水文环境进行探测，促进金属矿能源开发。当前国民经济飞速发展，人们对金属能源的需求日益增加，相关企业的金属矿产开采力度加快，但在开采中常常发生安全事故，主要因水害所致，而电测技术的应用便可妥善解决上述问题。该方法中的瞬变电磁法可对富水环境准确探测，更加精准的探测出采空区、陷落柱与构造中的含水量，全面提高开采速率与安全性。

2.4 三维激光扫描技术

与传统测量技术相比，该技术的测量局限性较小，具有精度高、无接触、速度快等优势。可通过高速激光扫描的方式进行测量，通过点云形式采取物体或者地形表面的阵列图像数据，快速全面的获取空间点位信息，准确的探知静态物体的三维模型，为后续模型分析与数据处理提供便利。目前，该技术在公路、萨巴、测绘工程、金属矿产勘探等方面广泛应用，并取得理想的应用效果。

3 矿产勘查中物探技术的应用案例

3.1 基本概况

金铜矿区位于河南省郑州市，总体构造为东西方向，向东侧倾斜。断层发育以南北向为主。根据北部岩层勘查，因沉积基底变化与后续改造，导致厚度变化增加，在实际开采中已被验证。在地质情况方面，构造碎裂蚀变岩结构，呈网状延展。含水层厚度较大，且带有裂缝，在区域内埋藏较深，水压较高，富有破坏性，为矿井安全构成较大威胁。在地质探测方面，主要任务如下：

（1）控制区内矿石底板形态变化。

（2）控制区矿层落差超过5m 的断层，断层平面摆动范围不超过10m。

（3）探查区域矿石顶板大占砂岩富水性。

（4）探测区内带有富水特征，确定富水区域，并综合分析与评价。

3.2 物探技术选择

物探主要根据岩石物理特点不同，采用相应的精密仪器进行测探，获得地质体对地下场所产生的异常数据。根据该矿区物理场变化规律，借鉴相关地质资料，对地下特定深度地质体分布规律进行探究，主要选择三维扫描探测技术与瞬变电磁勘探两种技术，使含金铜地层分布范围、被掩盖位置、地质构造等进行确定。

3.2.1 三维扫描探测技术

该技术应用中，将各个策展的三维坐标输入激光扫描仪内。在三维扫描时，先架设HDS8800，营造良好的G1 测站观测条件，以G3 测站为后视。扫描精度设置为高，完成G1 的扫描测绘。因作业面较小，1 站扫描便可覆盖全部对象，但为了扫描结果更加精确，可对G2 与G3 进行高精度扫描，由此减少误差。在三维扫描测量前，在待测点周围设置3 个GPS 点，并根据4 等水准接测，使3 个GPS 控制点拥有三维坐标。本工程因测量距离较远，常规扫描仪无法满足要求，需采用HDS8800 型激光扫描仪，对2000m 内的范围进行测量，岩石表面扫描测程可达1400m，重复扫描精度为8mm[3]。

3.2.2 瞬变电磁勘测技术

该项技术是借助接地线源依靠脉冲电流的方式，鼓励探测目的物感产生二次电流，在脉冲间隙对二次场与时间的关系进行测定。对于不同岩层来说，电阻率也不尽相同，通过电法勘测是得出不同位置、深度的差异，由此探寻出目标体。该技术应用不受高阻的限制，随着时间的推移，电磁场扩散范围更广，低阻散播速度减缓，高阻散播加速。因其不受地形影响，且对低阻响应较为敏感，适用于采空积水区、岩层顶/底板富水区的探测，应用效果十分显著。

通过对上述两种技术的综合分析，前一种可解决1 和2 两项地质问题，后一种可解决3 和4 两项问题。因此，在实际操作中将二者结合起来，依靠综合物探技术满足勘探任务需求。

3.3 勘探成果

3.3.1 三维扫描探测结果

该项技术采用美国生产的HDS8800 型激光扫描仪，为使原始数据更加优质，结合当地地形特性，采用不同类型的数字检波器接收信号，并对接收效果进行对比分析。该项技术应用中，地面施工范围与设计范围相比较大，且朝着外侧扩展，一方面是由目的层埋深导致施工范围扩大，另一方面是受观测系统覆盖面积影响。当目的层越深、倾角越大时，扩展范围便会越大。假设目的层埋藏深度为H，倾角用ϕ表示，受上述两个因素影响使施工扩大，宽度用L 表示，计算公式为：

式中，H 代表的是目的层埋深；ϕ代表地层倾角；L 代表施工扩大宽度。该矿区中目的层埋深范围在200—600m 之间，地层北侧倾角范围在10—14°之间，南侧角度为60°。通过理实结合的方式，综合分析各项因素对倾角的影响，朝着浅部内移，为确保控制边界不朝着内推。根据观测系统与覆盖次数间的关系，最终施工扩大范围为：东侧外推95m，西侧外推95m，深度炮点由北侧外推320m，最终覆盖面积为1.95km2，共包括2235 个物理点[4]。

3.3.2 瞬变电磁勘测结果

该项技术采用PROTEM67D 瞬变勘查系统，结合勘探成果在区域范围内布设瞬变电磁勘探线，测线以南北走向为主，编号为162—2654，测网规格为40×40，将测点在全区范围内均匀设置。发射频率为2.5Hz，线框规格为600m×600m，电流值为16A。结合测区内地形复杂程度与沟谷发育情况，在对资料正式处理之前，根据测量高程进行修正。依照三维扫描内的岩层标高值，对底板中15m 对应的砂岩层位以及底板下25m 对应的奥陶系中统岩层位电阻率分布情况进行分析，由此测定视电阻率中的低阻异常区域。通过瞬变技术的应用，使采取面积1.95km2 得到有效控制，使岩层中底板富水异常区域得以确定，再与三维激光探测技术相结合，对12 条断层的导水、含水情况进行综合分析，如图1 所示。

图1 灰岩岩溶缝隙富水异常分布图

4 结论

综上所述，根据实践结果表明，综合物探技术可使金属矿采区勘探取得事半功倍的效果。与其他勘探技术相比，投入成本较低、速度较快且效果良好，适用于地质勘查的多项环节。通过三维激光探测技术应用，可掌握岩层厚度、地质构造与金属矿分布等信息。在此基础上引入电法探勘，利用瞬变电磁勘探技术掌握底板含水层富水、导水情况，二者的综合利用有助于金属矿产建设开发、地下水防治、采区合理布设等工作开展，对于资源回收利用与安全生产具有重要意义。