基于高密度电阻率法的露天矿山滑坡体探测应用研究

杨 勇

（鞍钢集团矿业弓长岭有限公司露采分公司，辽宁 辽阳 111007）

滑坡地质灾害是指由于受到自然地质作用或人类活动因素的影响，造成地质环境的恶化，使人类的生命财产安全受到严重威胁，正常生产、生活和社会经济造成严重损失的变形破坏，乃至整体的移动[1]。其中的山体滑坡地质灾害是最为常见的地质灾害之一，在我国的山区经常发生。山体滑坡是指山体斜坡某一部分岩土体在重力或岩土体自身重力及地下水的动静压力的作用下，沿着一定的软弱结构面或结构带产生剪切位移而整体向斜坡下方移动的现象[2]。一般来说，滑坡体造成的地质灾害危害大，历史上造成多起严重的人员伤亡事故，如2019年3月15日18时05分，山西省临汾市乡宁县枣岭乡发生山体滑坡，造成20人死亡、13人失踪、1栋卫生院住院楼、1座小型洗浴中心和配套建筑物垮塌，造成直接经济损失700多万元，属于自然成因的灾情为大型的滑坡地质灾害。2015年11月，在缅甸东北部的克钦族自治邦内一处玉石场发生了大规模的山体滑坡，造成了至少113人遇难，属于自然原因叠加人为原因的滑坡地质灾害。滑坡地质灾害多为自然原因导致，但随着近些年生产技术水平的不断提高，矿产资源开发的力度不断加大，大量露天金属矿山进入深凹露天开采阶段，在其周边形成大量人为原因诱发的潜在滑坡体，威胁矿山安全生产。因此，对这些潜在滑坡体进行有效探测和治理，避免其诱发次生地质灾害，具有非常重要的理论研究和现实实践意义。基于此，如何解决露天金属矿山滑坡体的探测技术难题，查明滑坡体的滑动位置、滑坡面埋深和空间分布发育情况迫在眉睫。

对于露天矿山滑坡体的探测技术难题，地球物理方法以其在常见滑坡体地质灾害探测和防治方面的经济快速高效而被采用，尤其是高密度电阻率法设备出现后广泛应用[3，4]。与传统的直流电阻率法相对比，高密度电阻率法也是以地下一定深度的介质电阻率差异为理论基础，通过观测和研究人工电场的变化和分布规律来探测地下一定深度空间内物质组成和地质构造分布特征，其探测结果以反演的二维视电阻率地电断面显示，直观性强，准确度高，又被称作地质CT剖面。高密度电阻率法相比于单一的地质钻探方法，其成本更低、效率更高、获取信息更丰富，在国内外得到了广泛的应用研究，在地质灾害探测中发挥着越来越重要的作用。综上可知，高密度电阻率法可以作为露天矿山滑坡体探测的首选技术方法开展应用研究，以查明露天矿山滑坡体的结构和组成，进行有效防治，保障露天矿山可持续安全高效生产。

1 高密度电阻率法基本原理

在地球物理勘探方法中，电法是一种重要的地球物理探测方法，其中的电阻率法是以地壳中岩矿石的导电性差异为基础，通过观测与研究人工建立的地中稳定直流或者脉动电场， 系统布设测量电极，并按照某种电极距的测量装置形式沿测线逐点采集数据，以系统研究地面以下一深度空间范围内岩矿石沿水平方向的电阻率值的变化，从而达到查明矿产资源和研究有关工程、环境地质问题的一种直流电阻率勘探技术方法，具体可以划分为电阻率测深法和电阻率剖面法两大类。

高密度电阻率法是一种阵列式的地球物理勘探方法，是传统直流电阻率法中的电测深法和点剖面的综合应用，其测量的电阻率剖面既可以反映测点下方一定深度区间内不同电性的岩性层随深度的分布变化情况，也可以反映一定深度区间水平方向上地电断面的特征，解决了常规直流电阻率法测点数据不足、解译依据单一的薄弱环节。高密度电阻率法具体工作时，可以一次性将多个（几十个甚至几百个）测量电极布设完成，后通过程控式的多路电极转换器选择不同的电极排列组合测量方式和不同的电极间距离来快速高效的地电数据。当不同测量电极间排列间距为L时，测量电极距C=nL，依次可以取n=1,2,3,4,5…(其中C为测量电极距，L为最小电极距，n为隔离系数)，每个极距按固定的数据测量装置形式逐渐从左向右移动来完成数据采集工作，数据点则从下到上，从左到右逐渐完成整个地电剖面的数据采集工作，最终完成地下一定深度区间内的纵横二维勘探过程。

2 高密度电阻率法滑坡体探测技术

2.1 高密度电阻率法探测仪器和装置

在露天矿山滑坡体的高密度电阻率法探测应用研究中，采用的探测设备为重庆地质仪器厂研制的DUK-2A型集中式高密度电阻率法测量系统，主要由测量主机、电极转换器、线缆、测量电极和电源等组成，其测量电压范围为±4000mV，测量电压分辨率0.01mV，测量电流分辨率0.01mA，自然电位补偿范围±1000mV。该电阻率法测量系统观测精度高，且采集数据质量可靠，可以获得地下一定深度区间内丰富的地质信息。

上述高密度电阻率法测量系统配备了多种测量装置模式，具体包括温纳、施贝1、施贝2、偶极-偶极、联合剖面模式、二极电阻率成像、三极滚动连续测深和单边三极滚动连续测深等14种的基本高密度测量工作装置模式，可以开展多种的地球物理探测工作。而基于对滑坡体的自身结构认识和矿山环境特点，特别是矿山地质条件和人文条件均比较复杂，干扰因素相对比较多，所以依据矿山多年的地球物理探测研究成果，优先选用稳定的温纳装置开展数据采集工作，这也属于典型的对称四极测量装置，该测量装置由两个供电电极（布设电极A和B充当）和两个测量电极（布设电极M和N）组成，通过不断变换供电电极和测量电极间的距离，以达到测量不同深度电性分布特征[5]。

2.2 高密度电阻率法数据采集、处理和解译

在露天矿山滑坡体探测应用研究中，高密度电阻率法的测线主要沿滑坡体主体走向垂直布设，并根据滑坡体的规模和可布设测线的空间大小，合理设计布设测线的长度，采用多测量电极一次布设，计算机控制多测量电极滚动测量，实时采集滑坡体及其下方一定深度的地电数据。在数据采集过程中，为了保证数据质量、探测深度和目标体分辨率，多采用2m～4m间距布设测量电极，供电电压在300V～400V，以保证每个数据采样点的供电电压和电流均大于10mV和10mA，以达到高质量的数据采集效果。与此同时，需要根据地形的变化，利用高精度的手持GPS系统采集每个测量电极点的空间坐标，尤其是高程值，用于后期高密度电阻率法数据的地形校正处理，以便真实的再现测区的地电成果。

对于采用高密度电阻率法设备采集的数据，用设备配套的专门数据传输软件导入专门的计算机中进行相关的数据转换和数据预处理，最大程度的消除各种干扰因素导致的数据畸变问题，特别是测量过程中局部电压或电流过低导致的测量异常点电阻率数据。数据预处理后，采用设备配套的软件进行基于最小二乘法或佐迪反演方法为基础的反演算法，开展露天矿山高密度电阻率法测量数据的反演处理，多次反演计算处理，并对比计算的反演成果，将其绘制成对应测线的电阻率剖面图。

获得的滑坡体电阻率剖面成果图，结合研究已有地质数据和现场踏勘成果，特别是滑坡体的地表出露结构面地质特征，进行系统的地质-地球物理解译研究，并对解译的关键点进行钻探验证，收集整理地质钻探成果。要依据地质钻探取得的成果，不断修正、完善和提高地质-地球物理解译成果的准确性。同时，依据验证成果，对关键地段做补充探测工作。

3 滑坡体探测区地质-地球物理特征和概况

文中研究的滑坡体探测区位于国内知名的金属矿产资源产区，分布有数百个大中小金属矿床，且该资源产区产出知名的BIF型金属矿产，同时也是个开采历史悠久的金属矿产资源区。该区位于华北克拉通东部，出露的地层主要有太古界鞍山群、元古界辽河群和第四纪覆盖层，其中的太古界鞍山群是区内金属矿产资源的主要赋存地层，具体地层为鞍山群茨沟组。茨沟组内主要岩性为斜长角闪岩、条带状磁铁石英岩、黑云变粒岩、角闪片岩和浅粒岩等变质岩类，其原岩主要为基性-中酸性沉积岩、铁硅质岩和陆源碎屑岩等，地层出露厚度在1400m至2340m之间，是本区主要的赋矿地层。区内构造发育，NE向和NW向构造联合控制区内金属矿体分布。此外，在研究区内发现有不同时代的侵入岩和混合岩化作用形成的混合花岗岩。本文进行的高密度电阻率法探测区内，位于露天金属矿山采场内的岩矿石电阻率相对较高，电阻率达到数千欧姆.米，而采场周边的岩矿石由于第四纪松散覆盖层的影响，易于富水而呈现明显的低电阻率特征，电阻率数百欧姆.米，甚至几十欧姆.米。

对于该区的滑坡体空间位置，其主要位于露天采场的西北部，靠近西北扩帮区。该滑坡体的形成，主要源于露天矿山多年的持续开采，特别是露天矿山逐渐由东向西、由浅向深的逐步扩帮开采，引起露天采场西北帮高处的第四纪覆盖层及其滑动构造面上的部分基岩层在局部卸荷改变区内岩矿体应力场的作用下，坡积物和部分岩石逐渐脱离基岩面滑动，经年累月形成大面积的滑坡体，其长度和宽度均在数百米以上，但滑坡体厚度不明。滑坡体主要由第四纪松散覆盖物和浅表岩层组成，但对于滑动面厚度，一直没有准确的测定，也就无法对滑动体的规模做出合理评价，进而进行有效的治理。鉴于此，本研究主要采用高密度电阻率法对滑坡体的结构形态和厚度进行探测应用研究，主要查明滑坡体的厚度变化与空间分布，以评价滑坡体的完整性和稳定性，为露天矿山对滑坡体的进一步安全处理提供可靠的数据支撑。

4 基于高密度电阻率法的露天矿山滑坡体探测成果

为了准确控制滑坡体的空间分布和厚度变化，沿垂直滑坡体长轴方向布设了6条高密度电阻率法测线，分别是测线G1-1、G1-2、G1-3、G1-4、G1-5和G1-6，每条高密度电阻率法测线间的线距为20m，每条测线上的测量点电极距为3m，每条测线共布设测量电极60根，具体的高密度电阻率法数据采集装置为温纳装置，也就是传统的对称四极装置，测量效果最稳定。数据采集采用的隔离系数为19，这样每条高密度电阻率法测线可以采集570个电阻率数据。采集完的数据经数据线导入电脑，进行数据转换和预处理，后采用专门软件进行反演处理和地形校正，最终得到可供地质-地球物理解译的高密度电阻率法探测成果。对于探测成果解译，需要结合区内地质数据资料、现场踏勘和地质钻探验证成果不断反复解译，以准确反映探测区的地电断面和实际地质情况。

下面以其中的高密度电阻率法测线G1-2为例（图1），对露天矿山的滑坡体探测成果进行解译分析。从滑坡体的高密度电阻率法探测成果可以明显看出，滑坡体与其下伏基岩呈现出明显不同的两种电阻率异常分布区块，基岩主要表现为相对高电阻率异常区块位于滑坡体下方，而滑坡体由于充水呈现明显的低电阻率异常区块位于基岩面之上，在二者之间可以观察到明显的过渡界面，可以推测为滑坡体的滑动面，也就是滑坡体与基岩的分界面。从露天矿山滑坡体高密度电阻率法探测成果中知，滑坡体最小厚度为10m，最大厚度为20m，且滑坡体厚度从较高海拔处向较低海拔处逐渐变薄。电阻率剖面上出现的局部相对高阻，为地表出现的较大裂缝导致，同时说明滑坡体结构比较松散，稳定性相对较差，可以对滑坡体的安全性起到一定的超前预警作用，需要在后期尽快进行安全处理工作。与此同时，采用钻探手段对剖面图典型地段进行了验证，进一步证明了采用高密度电阻率法探测露天矿山滑坡体的有效性。

图1 滑坡体剖面高密度电阻率法探测成果图

特别是对采用高密度电阻率法在露天矿山滑坡体中探测到的裂缝发育情况，需要特别关注，它极易诱发滑坡体的局部快速滑塌，从而造成突发的次生地质灾害。如本次研究在测线G1-2的174-198m和210m～240m处发现两处较大的滑坡体地裂缝，裂缝已经导通到滑坡体的滑动面，说明该滑坡体完整性比较差，且在测线的129m显示出发育潜在地裂缝的前兆，也需要在进一步的工作中关注。上述完整性比较差的滑坡体，其整体稳定性也比较差，极易在气候突变条件下，如夏季的突降大雨或春季快速冻融的情况下滑动面充水活化而发生快速移动，从而造成露天矿山滑坡体局部滑动面二次滑动，诱发局部的次生地质灾害，特别是当其位于露天矿山采场边部时危害更大，容易产生连锁地质灾害。针对上述此类情况，在关键部位需要进行滑坡体的安全治理，消除此类安全隐患。

同时进一步说明，高密度电阻率法可以对露天矿山滑坡体结构面的局部完整性进行有效探测，评价滑坡体的完整性，提前预警滑坡体的稳定性，便于及时的安全治理，以避免诱发不可控的次生地质灾害事故。

基于上述探测研究成果，考虑到高密度电阻率法直观性和精细度，如果在露天矿山的滑坡面位置布设一定数量的测量电极，实时动态探测滑坡体的变化特征，就可以对滑坡体完整性导致的危险性实时监控，这为暂时无法安全处理的滑坡体灾害防控提供了有效的监测技术手段。

5 结论

（1）高密度电阻率法可以有效识别出露天矿山滑坡体的范围和厚度，其厚度在10m～20m之间变化，从海拔高处向海拔低处滑坡体厚度逐渐变薄，并可以准确定位滑动面的位置，还可以探测出滑坡体局部地裂缝发育情况，在评价滑坡体完整性的同时预警滑坡体的安全性。

（2）将高密度电阻率法的温纳装置成功应用于露天矿山复杂地质环境和人文干扰环境下的滑坡体探测工作中，获得了可信的电阻率剖面，这为以后露天金属矿山滑坡体调查提供新的思路和科学技术手段。