楊 明

（閩武長城建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350013）

自改革開放以來，采礦行業(yè)得到極大發(fā)展，但是在采礦量不斷增加的情況下，采礦深度也隨之加大，面對的地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，稍不注意可能引發(fā)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，應(yīng)借助綜合物探技術(shù)的多樣性和綜合性，提高勘探質(zhì)量與效率，從而減少事故風(fēng)險。因此，研究綜合物探技術(shù)的應(yīng)用是必要的。

1 探討礦山水文地質(zhì)勘探中應(yīng)用綜合物探技術(shù)的意義及技術(shù)優(yōu)勢

1.1 綜合物探技術(shù)價值意義

所謂綜合物探技術(shù)，主要是指將兩種及兩種以上的物探技術(shù)應(yīng)用于勘探工作中的方式。不同物探技術(shù)具有其相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，隨著礦山開采難度的上升，單一的物探技術(shù)發(fā)揮作用有限，往往無法切實(shí)滿足勘探需求。但是通過應(yīng)用綜合物探技術(shù)開展礦山水文地質(zhì)勘探工作，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢的整合、劣勢的互補(bǔ)，從而有效抵御環(huán)境等不良影響因素，提高勘探結(jié)果的精準(zhǔn)性，更快掌握勘探結(jié)果。而且，相較于單一物探技術(shù)，綜合物探技術(shù)探測周期較短，具有較強(qiáng)適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于多種環(huán)境場景，所使用的技術(shù)設(shè)備都是現(xiàn)有資源，成本投入不大，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)情況的快速掌握，另一方面保證采礦效益[1]。

1.2 綜合物探技術(shù)優(yōu)勢

自然災(zāi)害直接影響著人們的生產(chǎn)生活，雖然就目前技術(shù)而言可以對自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，但是需要以準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察結(jié)果為基礎(chǔ)，相較于單一的污染技術(shù)，綜合物探技術(shù)靈活組合多種勘察技術(shù)，可以很好滿足各種情況下的礦山水文地質(zhì)勘探作業(yè)需要，并根據(jù)地形特征選擇監(jiān)測方式和技術(shù)方案。目前，綜合物探技術(shù)在礦山水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用可以教對淺層地質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確探測，可以適應(yīng)不同深度地形的探測環(huán)境，適應(yīng)場景豐富，地下2m、3m至幾百米均可。除此之外，綜合物探技術(shù)還具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，而且，利用其核心功能可以簡化作業(yè)流程，勘探周期有效縮短，提高效率的同時，無需投入較多設(shè)備使用成本。最后，其技術(shù)優(yōu)勢還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)參數(shù)精準(zhǔn)度方面，在響應(yīng)不同地形勘察效果的同時，還能夠幫助相關(guān)工作人員在短時間內(nèi)掌握地質(zhì)條件，增強(qiáng)技術(shù)核心效益的同時，實(shí)現(xiàn)勘察需求系統(tǒng)化。

2 研究礦山水文地質(zhì)勘探中常用的物探技術(shù)

2.1 瞬變電磁法

所謂瞬變電磁法，主要是利用礦石和礦山地質(zhì)之間得到磁場變化，經(jīng)過分析掌握勘探目標(biāo)分布等信息的物探技術(shù)。該勘探技術(shù)主要應(yīng)用于礦山積水區(qū)域的勘探場景中，相關(guān)工作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)綜合分析獲得區(qū)域?qū)嶋H情況和參數(shù)，從而為后續(xù)一系列工作的開展奠定良好基礎(chǔ)。在實(shí)際使用瞬變電磁法開展勘探工作時，需要得到物理學(xué)理論的支持，即在工作開展過程中對目標(biāo)范疇的參數(shù)進(jìn)行實(shí)踐計算分析，以此掌握實(shí)際參數(shù)與常規(guī)參數(shù)之間的差異，以此判斷勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，瞬變電磁法還可以了解礦山區(qū)域內(nèi)的煙圈效應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確掌握，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率，為后續(xù)工作提供安全保證。

在該物探技術(shù)具體使用過程中，主要是使用專業(yè)脈沖設(shè)備對勘探目標(biāo)的一次電磁場進(jìn)行探測，當(dāng)發(fā)出的脈沖方波后沿下降時，會立刻產(chǎn)生一次磁場，方向?yàn)榛鼐€法線方向。在一次磁場激勵下，若是地質(zhì)體存在異常情況，則是在周圍產(chǎn)生渦流異常場，該異常場的大小取決于導(dǎo)電程度，渦流的消失取決于一次場，即一次場消失渦流消失，但在消失過程中存在逐漸衰退的過程。而這一變異過渡會產(chǎn)生二次次生磁場，最終由專業(yè)設(shè)備收集，相關(guān)工作人員通過對收集到的參數(shù)和曲線進(jìn)行分析，可以獲得地質(zhì)體的電性、具體分布情況等信息，經(jīng)過開展視電阻率相關(guān)計算工作，能夠掌握礦山水文地質(zhì)特點(diǎn)。

2.2 震波超前勘探技術(shù)

所謂震波超前勘探技術(shù)，主要是利用地震波的傳播對目標(biāo)進(jìn)行探測。在震波超前勘探技術(shù)具體應(yīng)用過程中，利用專業(yè)設(shè)備發(fā)出的地震波使其在巖層內(nèi)傳播，若是在其傳播過程中碰到地質(zhì)異常體，會出現(xiàn)波阻抗Z差異，在此之后震波會出現(xiàn)折射和反射，以此獲得較為準(zhǔn)確的勘探信息。發(fā)出地震波的主要設(shè)備時震波震源和三分量傳感器，設(shè)備所在位置對最終勘探結(jié)果具有直接影響，因此，在使用震波超前勘探技術(shù)時，相關(guān)工作人員應(yīng)沿著井下巷道進(jìn)行布設(shè)，從而保證技術(shù)實(shí)施質(zhì)量。其中，在井下現(xiàn)場布設(shè)震波震源時，為保證勘探技術(shù)實(shí)施質(zhì)量，應(yīng)按照巷道側(cè)幫洞底平行腰線的位置進(jìn)行排列，整個排列形式為直線狀，布置完畢后通過以此激發(fā)，可以形成反射波，該反射波可以穿過多種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，比如節(jié)里面、軟弱地質(zhì)截面等，這時檢波器可以將反射波全數(shù)接收，在收集完畢后構(gòu)成地震波擬斷面。通過使用觀測系統(tǒng)能夠掌握巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲取其負(fù)視速度特征，最后對其進(jìn)行提取處理，并實(shí)施超前偏移成像，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)勘探區(qū)域異常地質(zhì)信息的掌握。觀測系統(tǒng)具體如圖1所示：

圖1 震波超前勘探技術(shù)中的觀測系統(tǒng)

2.3 探地雷達(dá)勘探技術(shù)

所謂探地雷達(dá)勘探技術(shù)，主要是利用電磁波特性以及反射和散射獲取相關(guān)信息，通過定量判斷底層電磁特性，實(shí)現(xiàn)對勘探目標(biāo)信息的準(zhǔn)確掌握，該物探技術(shù)原理與瞬變電磁法理論基礎(chǔ)相同，也可稱為地質(zhì)雷達(dá)。相較于其他物探技術(shù)，探地雷達(dá)勘探技術(shù)具有靈活、易操作的特點(diǎn)，且適用性較強(qiáng)，可以很好地處理不同地質(zhì)情況下出現(xiàn)的問題，同時還能夠獲取相關(guān)信息。此外，由于探地雷達(dá)勘探技術(shù)具有較高水平的自動化程度，所以在實(shí)施該勘探技術(shù)，相關(guān)工作人員直接使用專業(yè)設(shè)備對地質(zhì)環(huán)境參數(shù)分析即可，整個流程與過程都具有較高地完成效率，同時還滿足不同地質(zhì)環(huán)境的勘探要求。目前，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展下，市場上流通的探地雷達(dá)種類較多，但是基本構(gòu)成大同小異，主要構(gòu)件有電纜、電源、收發(fā)天線以及接收機(jī)等。由于其操作自動水平較高，且不需要投入較多時間成本，整體勘探質(zhì)量和效率都較高，所以廣泛應(yīng)用于礦山水文地質(zhì)勘探中[2]。

3 分析礦山水文地質(zhì)勘探中綜合物探技術(shù)的應(yīng)用

3.1 科學(xué)設(shè)置測線

對于礦山水文地質(zhì)勘探工作而言，由于礦山開采深度的增加，使得礦山水文地質(zhì)勘探正逐漸向難度較高的地形地質(zhì)方向拓展，因此，在此類勘探工作中應(yīng)用綜合物探技術(shù)時，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行測線的科學(xué)設(shè)置，為后續(xù)工作的開展效果提供保證。所謂測線應(yīng)用，主要是為了獲取位置信息，便于相關(guān)工作人員結(jié)合現(xiàn)場情況選擇標(biāo)準(zhǔn)化的操作方法。在測線具體作用發(fā)揮過程中，還可以對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測，信息主要為土壤相關(guān)，比如穩(wěn)定性和厚度等。在具體設(shè)置測線時，相關(guān)工作人員以折射波測點(diǎn)為基礎(chǔ)對相關(guān)設(shè)備的位置進(jìn)行設(shè)定，并結(jié)合工程圖紙數(shù)據(jù)比照實(shí)際數(shù)據(jù)，明確實(shí)際被測范圍，確定最佳的測線設(shè)置位置，進(jìn)而在掌握目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H信息的同時，實(shí)現(xiàn)測線的科學(xué)設(shè)置，使其得以順利發(fā)揮作用。

3.2 震波超前勘探技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

在礦山水文地質(zhì)勘探工作中應(yīng)用震波超前勘探技術(shù)時，應(yīng)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計合理的設(shè)計，具體如下：

首先，做好數(shù)據(jù)的甄選工作。相關(guān)工作人員應(yīng)全面分析獲得的道數(shù)信息，以礦山實(shí)際情況為前提優(yōu)化處理操作流程，實(shí)現(xiàn)道數(shù)參數(shù)的合理應(yīng)用。其次，設(shè)計選擇。雖然礦山開采和礦山水文地質(zhì)勘探工作大同小異，但是由于地質(zhì)環(huán)境等信息的不同，導(dǎo)致勘探流程存在差異，為此，相關(guān)工作人員應(yīng)以水文參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，對勘探工作步驟操作進(jìn)行詳細(xì)、明確設(shè)計，保證設(shè)計精度。在具體設(shè)計選擇過程中，工作人員應(yīng)先科學(xué)設(shè)計激震參數(shù)，為后期震波超前勘探技術(shù)的實(shí)施奠定良好基礎(chǔ)，同時控制落重深度和錘擊深度，分別控制在40m和23m左右即可，以此保證震波超前勘探技術(shù)的實(shí)施質(zhì)量。之后，開展動態(tài)跟蹤觀察，基于具體地質(zhì)環(huán)境比較各項(xiàng)參數(shù)信息，最終以土壤參數(shù)為基礎(chǔ)開展工作規(guī)劃。但是，在實(shí)際規(guī)劃中工作人員應(yīng)該認(rèn)識到土壤參數(shù)差異帶來的激發(fā)操作方式差異，針對具有較高松懈性的土壤參數(shù)，應(yīng)使用低頻率激發(fā)參數(shù)方式；針對較為堅硬的土壤參數(shù)，則應(yīng)根據(jù)具體硬度使用中頻率激發(fā)參數(shù)和高頻率激發(fā)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤實(shí)際情況與參數(shù)之間的對比分析，保證二者情況的可比性。設(shè)計墊板參數(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)設(shè)計要求與激震設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整體勘探效率和質(zhì)量的提高。最后，優(yōu)化設(shè)計間距。為保證間距參數(shù)的能夠多次使用，工作人員應(yīng)以現(xiàn)場情況為基礎(chǔ)優(yōu)化處理參數(shù)，并對不良因素進(jìn)行及時挖掘與處理，并細(xì)化操作流程，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，以此保證技術(shù)實(shí)施與目標(biāo)之間距離地科學(xué)合理性[3]。

3.3 瞬變電磁法的應(yīng)用要點(diǎn)

在通過震波超前勘探技術(shù)獲得相關(guān)信息后，還應(yīng)結(jié)合瞬變電磁法對具體分布情況、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行精細(xì)化的勘測，在實(shí)際技術(shù)實(shí)施過程中，涉及兩套瞬變電磁儀，這是因?yàn)榭梢岳脙商自O(shè)備儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作，從而保證勘探數(shù)據(jù)的有效性和精準(zhǔn)度。由于該勘探技術(shù)主要應(yīng)用于水文地質(zhì)方面，所以為了有效技術(shù)實(shí)施效果，與上述的震波超前勘探工作和地面探測構(gòu)成互補(bǔ)，最好將探測位置選擇為巷道，同時結(jié)合其他物探技術(shù)對礦井積水情況進(jìn)行探查。以某礦井為例，該礦區(qū)為長條山岳地形，允許開采煤層為K6、K9和K11，分別為三夾連煤層、正連煤層以及三層煤層，均全區(qū)可采，在該工程中，主要對其水文地質(zhì)進(jìn)行探測，以此保證工作人員的安全。

由于該區(qū)域存在較多廢棄和垮塌的巷道，所以應(yīng)先做好清理工作之后使用偶極瞬變電磁法對礦井之下進(jìn)行探測，在該勘探側(cè)，應(yīng)將接收線圈和發(fā)射線圈安裝到礦井巷道上，安裝過程中將線圈的中心距離以及安裝深度分別控制在10m和100m，保證探測方式與側(cè)幫內(nèi)側(cè)呈互相垂直的狀態(tài)，每個勘探點(diǎn)之間的距離控制在5m。針對該勘探項(xiàng)目實(shí)際情況，發(fā)射線圈頻率最好在25Hz，發(fā)射線圈規(guī)格為2m×2m，電流為18A，時間窗口和測量道數(shù)分別為20門和30門，積分時間80s。在實(shí)際探測過程中，基本勘探方向應(yīng)以順煤層為主，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場巷道和巖層信息的順利采集，為獲取電阻率曲線和具體的深度參數(shù)，在此過程中使用儀器進(jìn)行一維層狀反演，最后根據(jù)數(shù)據(jù)繪制電阻率斷面圖。針對煤礦水平北巷道的探測工作，堅持同樣的探測方向，選擇平均俯角45°對三處巖層進(jìn)行探測，以此獲得盲區(qū)深度。若是發(fā)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)出現(xiàn)低阻數(shù)據(jù)反應(yīng)，意味著可能存在采空積水區(qū)；若是存在局部差異或是明顯的低阻異常情況，可能不均勻垮塌現(xiàn)象。最后，勘探煤礦水平南巷道，起測點(diǎn)選擇與主見硐見煤電距離151m處，同樣按照上述流程進(jìn)行探測，若是勘測到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯高阻反應(yīng)，則意味著采控積水下界在356m以上，且整體結(jié)構(gòu)為上窄下寬，位置與采煤工作面較為相近。

3.4 探地雷達(dá)法的應(yīng)用要點(diǎn)

在應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行礦山水文地質(zhì)的勘探工作時，主要將地質(zhì)雷達(dá)儀器與反射波剖析面法結(jié)合使用，并科學(xué)設(shè)置天線中心頻率，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域雷達(dá)波剖面圖的準(zhǔn)確獲得。仍以上述工程為例，主要對煤礦+431m水平北巷道參數(shù)進(jìn)行采集，為此，天線中心頻率設(shè)置為100M即可，之后，通過分析不同探測深度下的數(shù)據(jù)和曲線，能夠掌握區(qū)域更為精細(xì)化的情況。當(dāng)勘探深度在1.5m時，若是出現(xiàn)較為明顯的反射同相軸，則意味著該深度以下存在地層分層情況，若是在后續(xù)深度勘探中又出現(xiàn)反射同相軸，可以結(jié)合實(shí)地考察情況對穩(wěn)定煤層位置進(jìn)行分析與確定，若是在該深度以下出現(xiàn)不均勻的反射同相軸，則該區(qū)域存在采空區(qū)，甚至存在坍塌情況[4]。通過將多種物探技術(shù)綜合使用，可以將技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行靈活整合，從而使勘探結(jié)果更滿足相關(guān)工程的需要，提升各項(xiàng)工作的安全性和實(shí)效性。另外，還可以根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合重力法，利用其較高的測量精度輔助綜合物探技術(shù)的實(shí)施。該勘探技術(shù)適用于不均勻表層或者小尺度地質(zhì)密度異常等場景，但是在實(shí)際施工過程中，技術(shù)人員要綜合考慮天氣等因素，保證勘探質(zhì)量。

4 結(jié)合案例探究綜合物探實(shí)施方法

以某礦井為例，該礦井范圍內(nèi)有兩組含煤地質(zhì)，煤層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，存在斷層裂隙，且分布范圍相對較高。地下水主要有裂隙水、巖溶水和孔隙水，為獲得更為準(zhǔn)確地水文地質(zhì)情況，主要使用瞬變電磁法和地震勘探法進(jìn)行。

首先，地震勘探技術(shù)實(shí)施。采集野外資料、處理現(xiàn)有資源以及解釋室內(nèi)資料是該技術(shù)實(shí)施的主要流程，其中，可以使用人工激發(fā)地震波的方式，利用震波的折射與反射情況綜合分析目標(biāo)區(qū)域內(nèi)井田地質(zhì)信息，尤其是要注重震源特性和檢波器位置等方面的考量，以此保證水文地質(zhì)勘探結(jié)果的詳實(shí)性。由于勘探區(qū)域主要有砂質(zhì)泥巖和砂巖構(gòu)成，與煤層性質(zhì)的差異導(dǎo)致反射波存在不同，所以，在實(shí)施地震勘探作業(yè)時，還要結(jié)合追蹤對比技術(shù)作業(yè)，分析反射波的相位和強(qiáng)度等，從而準(zhǔn)確判別斷層特征。在實(shí)際施工過程中，要結(jié)合礦區(qū)特征，進(jìn)行5條主測線和6條聯(lián)絡(luò)測線的地震勘測線的布置，保證其垂直關(guān)系，并將測線間距控制在200m左右。使用60Hz檢波器以兩串兩并的方式進(jìn)行布置，道間距為5m，炮間距為10m，采用中間不對稱的方式激發(fā)信號，利用可控震源激發(fā)和浸泡震源激發(fā)兩種方式激發(fā)信號，從而獲得更為準(zhǔn)確、有效的勘探數(shù)據(jù)。若是最終的礦井主采煤層的反射波具有良好連續(xù)性，但某樁號區(qū)域存在零散波組，可以推斷該波組為陷落柱區(qū)域；若是存在波組錯動扭曲現(xiàn)象，那么該區(qū)域?yàn)閿鄬訕?gòu)造。

其次，瞬變電磁勘探實(shí)施。如上所述，瞬變電磁法也是時間域電磁法，是通過通入脈沖電流的方式充當(dāng)場源，進(jìn)而以激勵探測目標(biāo)感生二次電流，通過對其進(jìn)行探測，能夠掌握探測目標(biāo)相關(guān)信息。由于今天內(nèi)部構(gòu)造與周圍介質(zhì)存在電阻率方面的差異，瞬變電磁勘探技術(shù)具有較強(qiáng)穿透性，且響應(yīng)簡單、占用空間較小，可以同時完成剖面測量與測深作業(yè)。一般情況下，相較于普通巖層的電阻率，煤系電阻率更高，而具有水?dāng)鄬拥牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻率偏低。因此，在實(shí)際施工過程中，利用不同介質(zhì)電阻率的差異，進(jìn)行5條主測線和6條加密線的設(shè)置，可以將部分勘測線與前期地震勘測作業(yè)中的勘測線重合。同時，在具體施工作業(yè)開展前，相關(guān)技術(shù)人員要做好設(shè)備儀器的質(zhì)量檢測工作，保證其準(zhǔn)確性。在獲得勘探結(jié)果后，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)對電阻率斷面進(jìn)行分析，由于該礦井位于丘陵地帶，所以其等值線分布規(guī)律為“中——低——中——低”，在斷層的影響下，橫向上均勻性會受到影響。若是存在電阻率異常問題，可以結(jié)合地震勘測結(jié)果判斷其為陷落柱構(gòu)造，若是出現(xiàn)等值線扭曲變形的情況，甚至伴隨低阻異常，那么該區(qū)域?yàn)閿鄬痈凰畢^(qū)。

最后，勘探結(jié)果。由上述勘探結(jié)果來看，目標(biāo)區(qū)域出現(xiàn)了陷落柱和富水區(qū)域，其中，該區(qū)域分布承壓含水層，不僅具有較大水量，且分布范圍也較為廣泛。而且，在斷層教會區(qū)域，其水量更大，尤其是巖溶水，外加該區(qū)域裂隙發(fā)育，上下含水層出現(xiàn)導(dǎo)通現(xiàn)象。與此同時，勘探區(qū)域內(nèi)存在中等富水區(qū)域，主要在斷層西部和北部，水源為巖溶水。結(jié)合礦井現(xiàn)有的鉆探數(shù)據(jù)，發(fā)展鉆孔勘探結(jié)果與綜合物探結(jié)果并不存在差異，這意味著綜合物探技術(shù)是合理且可行的。由此可見，在礦山水文地質(zhì)勘探過程中，綜合物探技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)綜合意義，在確定已知信息點(diǎn)的基礎(chǔ)上，組合優(yōu)化物探方法，可以有效提高物探結(jié)果準(zhǔn)確性和勘探效率。

5 結(jié)論

綜上所述，綜合物探技術(shù)是當(dāng)前礦山水文地質(zhì)勘探工作中的重要基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種及兩種以上技術(shù)優(yōu)勢的整合。因此，在使用綜合物探技術(shù)過程中，為保證技術(shù)實(shí)施效果，應(yīng)深入研究并掌握單一物探技術(shù)，從而做到技術(shù)組合的靈活性和實(shí)用性，保證相關(guān)工作安全性，實(shí)現(xiàn)工程效益最大化。