物探在礦井巷道中的應(yīng)用

林發(fā)養(yǎng)（福建省閩西地質(zhì)大隊(duì)）

物探在礦井巷道中的應(yīng)用

林發(fā)養(yǎng)（福建省閩西地質(zhì)大隊(duì)）

礦井巷道的目的，是在于查明巷道所處位置的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件以及巷道施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響。為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工提供所需的勘察資料，并對(duì)存在的巖土工程問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)價(jià)提出合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施，從而使巷道工程經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠。在巷道勘察中物探方法作為輔助手段，根據(jù)前期物探結(jié)果有利于提高勘察工作效率及降低成本有著重要的作用。工程物探在巷道勘察中的應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、物性差異和干擾情況，合理地選擇了綜合物探方法技術(shù)，為提高勘察精度，采取了有效措施和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，獲得了良好的地質(zhì)效果，為巷道設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。本文講述了綜合物探檢測(cè)軟弱圍巖的經(jīng)驗(yàn)和幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)，并討論了該勘察方法的應(yīng)用。

綜合物探法；巷道勘察；工作原理

1 物探簡(jiǎn)介

1.1 物探分類

凡是以各種巖土物理性質(zhì)的差別為基礎(chǔ)，采用專門的儀器，觀測(cè)天然或人工的物理場(chǎng)變化，來(lái)判斷地下地質(zhì)情況的方法，統(tǒng)稱為物探。物探有很多的類型，比如有電法勘探、地震勘探、電磁法勘探、重力勘探、聲波探測(cè)和磁力勘探與放射性勘探等。在隧道工程地質(zhì)中，較常用的有電法勘探與地質(zhì)雷達(dá)勘探等。

首先來(lái)看一下電法勘探，所謂電法勘探就是為了判斷地下地質(zhì)情況，這個(gè)需要由儀器測(cè)定巖、土導(dǎo)電性的差異。電法勘探的效果是有好壞之分的，主要受地層間的導(dǎo)電性差異、所測(cè)地層的長(zhǎng)度、寬度和厚度、相對(duì)的埋藏深度、地形的平坦和游散電流與工業(yè)交流電等干擾因素等。根據(jù)本次電法勘探的目的，我們要依據(jù)所測(cè)得的瞬變電磁的視電阻率變化規(guī)律，結(jié)合已知資料，從已知到未知，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，進(jìn)行綜合對(duì)比分析解釋。

瞬變電磁資料的處理和解釋工作是同時(shí)進(jìn)行的，它們之間存在一種從實(shí)踐到認(rèn)識(shí)的提升過(guò)程。資料解釋是建立在資料處理所得視電阻率斷面圖的基礎(chǔ)上。瞬變電磁資料的解釋主要依據(jù)單點(diǎn)數(shù)據(jù)（視電阻率——反演解釋）對(duì)含水層的富水情況進(jìn)行解釋，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程也需要考慮整條測(cè)線的視電阻率斷面圖。這個(gè)過(guò)程可以根據(jù)鉆孔資料來(lái)確定確定目的層，繪制層位的電阻率平面圖，再結(jié)合定性圖件和資料來(lái)分析富水層的情況。

地震勘探是根據(jù)巖、土彈性性質(zhì)的差異，通過(guò)人工激發(fā)的彈性波的傳播，來(lái)探測(cè)地下地質(zhì)情況的一種物探方法。地震勘探直接利用巖石的固有性質(zhì)（密度與彈性），較其它物探方法準(zhǔn)確，且能探測(cè)很大深度。在工程地質(zhì)勘探中主要用于：①探測(cè)覆蓋層的厚度、巖層的埋藏深度及厚度，斷層破碎帶的位置及產(chǎn)狀等；②研究巖石的彈性，測(cè)定巖石的彈性系數(shù)等。

地質(zhì)雷達(dá)（電磁法勘探）是利用高頻電磁脈沖波的反射，探測(cè)地層構(gòu)造和地下埋藏物體的電磁裝置，故又稱探地雷達(dá)，通過(guò)發(fā)射天線向地下輻射寬帶的脈沖波，在地下傳播中遇到不同介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率存在差異時(shí)，將在其分界面上發(fā)生反射，返回地表的電磁波被接收天線接收，根據(jù)接收的回波來(lái)判斷目標(biāo)的存在，并計(jì)算其距離和位置，可用于空中，地面與井中探測(cè)，但主要用地面。

1.2 物探工作原理

1.2.1 淺層地震反射波法工作原理

所謂淺層地震反射波法就是指地震波在不同分界面上的反射原理，這個(gè)反射是有一定規(guī)律的，而淺層地震反射波法就是研究這個(gè)規(guī)律的。在這個(gè)過(guò)程中，可以運(yùn)用人工震源激發(fā)出來(lái)的地震波，這種地震波在巖土中的傳播是有規(guī)律的，即遇到彈性不同的介質(zhì)分界面時(shí)，這種情況下就會(huì)有波的反射產(chǎn)生，那么就可以用檢波器來(lái)接收其反波信號(hào)，然后再通過(guò)淺層地震儀接收反射地震波，這樣通過(guò)收集來(lái)的信息就可以進(jìn)行時(shí)頻特征和振幅特征的分析，進(jìn)而可以進(jìn)一步尋找更好更有效的探測(cè)方法，如地球物理勘探方法。

人工激發(fā)產(chǎn)生的地震波在向地下介質(zhì)中傳播時(shí)，是有規(guī)律可循的，可以參考波動(dòng)理論，不同的巖土層具有不同的波阻抗差異，地震波經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)生反射。應(yīng)用專門的儀器記錄各種波的傳播時(shí)間和特征，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，便可獲得巖土層、斷裂帶等的相關(guān)信息，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問(wèn)題。

1.2.2 高密度電法的工作原理

所謂高密度電法，其實(shí)是從屬于電法勘探中的電阻率法的，實(shí)質(zhì)上就是用供電電極（A、B）向地下供直流（或超低頻流）電流，在這個(gè)時(shí)候也要測(cè)量電極 （M、N）間觀測(cè)電勢(shì)差（ΔUmn），同時(shí)計(jì)算出視電阻率（ρs）。關(guān)于視電阻率，其實(shí)并不是巖石的真電阻率，而是在電場(chǎng)中的地下電性不均勻體的綜合反映。視電阻率值是會(huì)變化的，這個(gè)是與地下不同導(dǎo)電性巖石（或礦體、不良地質(zhì)體）的分布狀況、采用的裝置類型、裝置大小、裝置相對(duì)于電性不均勻體的位置以及地形等也是有關(guān)的。在確定的電斷面中，如果按照一定的規(guī)律來(lái)改變位置的話，這種情況下的視電阻率的變化也是有一定規(guī)律的。從實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)電阻率是為了解決地質(zhì)問(wèn)題的，這個(gè)過(guò)程是可以參考視電阻率的變化的。

1.2.3 音頻大地電場(chǎng)法工作原理

所謂音頻大地電場(chǎng)法勘查技術(shù)，其實(shí)就是要利用天然大地電場(chǎng)作（頻率在0.01～30kHz）作為場(chǎng)源的，進(jìn)而才能逐點(diǎn)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程是要參考在地面沿一定的觀測(cè)線的一定的點(diǎn)距的。那么我們可以根據(jù)平面波電磁場(chǎng)在介質(zhì)中的傳播理論，得出這樣的關(guān)系式：

式中：ρɑ——電阻率，Ω·m；

Hy——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A／m；

Ex——電場(chǎng)強(qiáng)度，V／m；

f——頻率，Hz。

從公式中我們可以發(fā)現(xiàn)，地下巖體電阻率的變化情況（ρɑ與Ex2成正比）可是可以通過(guò)觀測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化反映出來(lái)的，并且可以進(jìn)一步做出相應(yīng)的地質(zhì)上的推斷解釋，基本能夠達(dá)到了解地質(zhì)災(zāi)害、巖土工程問(wèn)題的目的。

2 綜合物探方法選擇

2.1 選擇的思路

（1）可以采用淺層地震反射波法，這樣可以查明測(cè)區(qū)內(nèi)水面下50m深度范圍內(nèi)的地層分布（不良地質(zhì)滑坡及障礙物）。

（2）可以采用淺層剖面法，運(yùn)用這種方法可以查明測(cè)區(qū)內(nèi)障礙物、淺部地層分布（包括不良地質(zhì)滑坡等）。

（3）我們也可以運(yùn)用側(cè)掃聲納及磁測(cè)來(lái)查找測(cè)區(qū)內(nèi)廢棄的構(gòu)筑物、樁基、沉船和炸彈等江底以及埋于江底沉積地層中的金屬物體。

（4）可以采用雙頻測(cè)深來(lái)進(jìn)一步查明江底精細(xì)地形的變化情況。

以上的物探方法各有千秋各有利弊，這樣的情況下可以采用綜合物探方法工作，這樣可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而適應(yīng)工程勘察的需要。

像一些以山地為主，并有黃土丘陵、山間盆地分布的復(fù)合型山地地貌，若海拔在1000m左右，相對(duì)高度多在100～500m之間。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷程中受頻繁構(gòu)造斷裂運(yùn)動(dòng)的影響，使得山沿?cái)鄬用嫘纬杉s1000m的山峰，形成階梯狀的絕壁，其中河流又橫切山地，形成了陡峻的 “V”型峽谷，一般峽谷深約500m，寬約50～150m，將階梯狀的絕壁切斷，形成了絕壁林立、山勢(shì)陡峭、峰巒疊嶂、千山萬(wàn)壑的地貌，具有斷塊山的特征。在山勢(shì)陡峭，鉆探設(shè)備難以到達(dá)指定位置，應(yīng)采用多種物探手段對(duì)巷道場(chǎng)址進(jìn)行了詳細(xì)的勘探，結(jié)合有限的鉆探資料，查明巷道場(chǎng)址的巖土工程問(wèn)題。

2.2 選擇方法

各種物探技術(shù)都有其適用性和局限性，所以我們要具體問(wèn)題具體分析，對(duì)于不同的勘探任務(wù)，首先需要的就是仔細(xì)第分析勘探的地形地貌以及地質(zhì)條件，進(jìn)而選擇適合的物探方法，然后結(jié)合已有的勘探資料來(lái)進(jìn)行綜合解釋。其中特殊的是工程物探一般是可以連續(xù)測(cè)量的，值得注意的是對(duì)于查明埋深較大的目標(biāo)體的分布情況時(shí)，要優(yōu)先選擇鉆探等常規(guī)的“點(diǎn)探”的勘探方法。工程物探其實(shí)是一種間接的勘探手段，從根本上說(shuō)是不能直接提供巖土力學(xué)參數(shù)的，所以就需要與鉆探、原位測(cè)試等勘探手段所取得的勘探成果來(lái)進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而分析成果，建議相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，對(duì)于一些較難確定的異常目標(biāo)體，還應(yīng)采用鉆探手段進(jìn)行確認(rèn)。

工程勘察技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平和綜合能力的關(guān)鍵是：①培養(yǎng)勘察技術(shù)人員的技術(shù)素質(zhì)；②拓寬專業(yè)知識(shí)的廣度和深度；③積極參與工程實(shí)踐。

（1）合理地選擇與運(yùn)用工程的物探技術(shù)與傳統(tǒng)的勘探技術(shù)相結(jié)合，這可以說(shuō)是解決巷道勘察存在的技術(shù)問(wèn)題的最佳途徑。但是呢每一項(xiàng)的技術(shù)都是有其自身的局限性的，要想有效地來(lái)解決某些復(fù)雜的巖土工程勘察中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，就必須來(lái)采用多種勘察手段進(jìn)而才能互相補(bǔ)充與互相驗(yàn)證。

（2）各種間接的勘察手段所獲取的資料是要與傳統(tǒng)的勘察方法如施工檢測(cè)、施工監(jiān)測(cè)成果來(lái)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證的，這樣才能建立起相對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的，盡可能的來(lái)確保工程勘察質(zhì)量。

需要明確的就是物探是作為工程建設(shè)勘查的輔助手段的，所以就必須具體情況具體分析，選擇合適的勘查方法的技術(shù)，采用的幾種綜合物探方法來(lái)組合，從而才能夠取得較好的勘查成果。

3 結(jié)論

總之，利用綜合物探資料解釋可以互相補(bǔ)充、印證，目前該解釋推斷成果經(jīng)過(guò)礦井巷道施工驗(yàn)證，證明資料準(zhǔn)確、可靠，為礦井巷道設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]白錦琳.綜合物探方法在井下巷道超前探測(cè)中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2016（4）.

[2]胡博文，陳 立，么紅超，等.綜合物探在煤巷道斷裂施工段富水性判別中的應(yīng)用[J].物探與化探，2015（4）：867～871.

[3]張 華，李紅立，潘冬明.綜合物探技術(shù)在煤礦巷道底板富水區(qū)勘探中的應(yīng)用效果分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11（6）：868～872.

[4]齊 飛，張義平，繆玉松.物探技術(shù)在巷道掘進(jìn)防治水中的綜合應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（17）：70～71.

P631

A

2095-2066（2016）22-0049-02

2016-7-10