井下综合物探技术在坑道探矿中的应用

王璐 崔明飞 胡创业 陈琦 王铭远 徐广东 高升 郑岩岩 李宁

摘要：经济社会发展，对能源的需求越来越大。资源危机问题变得越来越突出。为了探寻危机矿山可接替资源，在矿山坑道中引入井下综合物探技术，充分利用矿山坑道有利条件，结合实际，组合应用自然电位法、视电阻率法、激发极化法、充电电位法以及浅层地震等物探方法技术，解决生产矿山矿体产状与延伸问题，寻求危机矿山接替资源，获得较好的找矿效果。通过研究发现，在生产矿山巷道掘进以及找矿工作中，综合物探技术发挥着十分重要的作用，应用前景广阔。

关键词：综合物探方法；矿山探矿；接替资源

经济社会发展，对矿产资源的需求越来越大，与此同时找矿难度也在提升。在找矿工作中，运用单一的技术手段，很难适应当前矿山立体找矿与探寻危机矿山接替能源的需求。通过大量的工作实践，坑道探矿过程当中应用井下综合物探技术，能够有效控制和减少坑道各类干扰因素带来的影响，提高物探效率和质量，提高矿山探矿水平，这对合理开发利用矿产资源具有非常重要的现实意义。

1.坑道综合物探方法原理

1.1坑道自然电位法

自然电位法操作起来非常简单而且实用。图1是直立板状矿体自然电场空间分布的物理场模式。其中电流线用虚线表示，等位线为实线，距离利用x表示。研究发现，垂直极化时，观测矿体上侧为负异常，正异常主要出现在下侧。矿体中部没有显示电位，一正一负异常主要出现在平行极化轴方向上，野外常见斜极化现象，斜度变化对空间场分布具有较大影响。自然电场受到地表影响，由浅部到深部电流线挤压受到极化强度和上部空间空气影响。通过综合研究发现，巷道影响造成电位绝对值出现改变，不会对分布形态造成影响，所以坑道通常不会对定性分析造成影响，同時由于不同的观测方式，可以通过不同方位观测坑道1、坑道2的整体空间，对矿体空间赋存有效地进行判断。

1.2坑道充电法

该方法和深部充电法非常类似，通道中通常存在矿体露头，可以对较好的矿体露头进行充电，在对矿体充电过程中，观测时可以在同一坑道，以及不同坑道和地面开展相应的观测工作，保证更加全面地获取相关信息。可以简单地进行布极，借助电位以及电位梯度开展相应的观测工作，保证工作效率，具有较大的延伸深度，对已知矿体延伸和矿体存在的连通性以及寻找盲矿体具有非常大的优势。

1.3坑道电阻率法

该方法在探测过程中，通过基于矿石岩石具有的电性差异性，有效地反应低阻良导矿体和高阻石英脉型金矿体，而且还能依照各种极距，对各种深度地质体开展探测工作。

1.4坑道激发极化法

该方法是借助矿石以及岩石激电效应存在的差异性，对大地积电效应进行观测与研究，对地下地质问题进行探查，这一方法称之为激电法，参数为ηs。

ηs = [ΔV 2（T，t）/ΔV（T）]×100%

其中ΔV2（T，t）是供电时间T于断电之后t这段时间，获取的二次电位差；ΔV =ΔV1+ΔV2（T），属于供电一次和二次电位差之和，为总场电位差。

观测坑道过程当中，K值会影响到二次电位以及总场电位，造成的影响是非常类似的。所以在进行ηs公式计算过程当中，K值不会影响ηs。然而，因装置系数出现改变，可以通过相应的极距大小，对反映空间范围进行确定。

1.5坑道浅层地震法

该方法主要包括直达透射波法以及浅震反射波法。浅震反射波法在应用过程当中是借助应力波反射原理，即通过坑壁在敲击以及爆炸因素影响下，发出应力波激，在介质中应力波向外传播，在遭受波阻抗Z产生的界面变化时，应立波出现反射，将传感器安装在同一坑道坑壁，对反射信号进行接收，处理分析这些数据，便能了解和掌握波主界面空间实际分布。对波阻抗变化界面深度（Hx）进行计算，Hx=（c·tx）2-L2/2.是主要的计算公式。公式当中岩石，矿物应力波波速为c；反射波双程走时为tx；激发反射波到接收点相关距离为L。矿山施工过程当中，工业电场以及设施和电机车不会对浅镇反射波法造成影响，可以合理便捷地进行布设，通过不同方向测量坑底以及3个坑壁，对异常体方位精准判定。直达透射波法是将应力波在某一坑到坑壁激发之后，在相邻各种方位，对于透射波进行接收，地震波ct成像技术是重要的方法，但是布设工作非常复杂，同时具有复杂的数据处理特征。

2.应用实例

2.1矿体规模确定过程中，利用自然电位法和充电法完成

现已经揭露某矿段顶部铜矿体8中段、7副中段、6中段4巷，对这一矿体规模进行确定，有利于采掘设计工作。

（1）测区地质。杂质板岩（黑山组）在研究区坑道平面出露，同时还有紫色板岩（因民组）出露，还出露白云岩（泥沙质）以及中粒硅化白云岩和中厚层细粒白云岩。断裂在研究区比较发育，主要包括2组，分别为EW与SN向展布。

（2）物探成果解释。7副中段是典型的剖面，倒“S”形一负一正曲线形态与之相对应，负值区主要出现在硅质层铜矿体上延头部，正值区主要出现在下延尾部矿体区，负值区和正值区相比存在明显的差异，由于存在很多矿体，自电ΔVm曲线在8中段没有较为明显的反应。这样通过充电电位法，对矿体直接充电，通过充电和自电法利用，圈定出硅质层铜矿体规模，通过钻孔以及坑道验证，矿体圈定延伸边界较为准确（图2）。

2.2利用坑内充电法圈定某金矿富集带及其产状

在隐爆角砾岩筒中，4号隐爆角砾岩筒体具有较大的规模，通过30m×60m网度进行钻探控制，圈定出十个金矿体，在320m～560m标高位置上分布，并从上到下，对580m与550m两个探采中段进行开拓，中断内有约30m～60m的间距，通过坑道验证，将圈定的矿体进行对比，没有较大差异，临近的坑道矿体无法有效连接，不能对单个矿体走向倾向以及规模进行确定，在岩块“胶结物条缝”中赋存矿化体，岩体当中角砾有的为数厘米，有的为数米，具有不同的大小形状，也存在很大差异性，还具有不规则的交接条缝。因此将这些矿体形状，称之为龟裂纹状和坝基石缝状，为了将“坝基石缝状”金矿体实际走向以及倾向与倾伏方向等进行确定，通过坑道充电试验来实现。依照矿区当中两个中断，有30m的垂距条件，通过充电法对两个中断进行观测，通过参考同一充电点以及同一电位零值，充电点没有矿段。

（1）通过分析1580m中段和550m中段充电电位分布特征以及580m中段电位等值线可以看出，在充电点的东侧分布充Ⅰ号异常等值线，充电点通过扇形扩展向外，角砾岩筒体走向和其长轴方向相类似。电位等值线收敛于充电点处，提示充电体西侧有尖灭特征，具有非常陡峭的倾角，向07号线延伸内圈400 mVΠA等值线，显示07线是重要的充电体，依照550m中断充电电位等值线进行分析研究，电位等值线5处，规模较大的为Ⅰ′等值线，剩下的规模都比较小。

（2）充电电位立体空间分布。通过虚线投影的形式把550m中段充Ⅰ′异常在580m中段进行投影，不难发现：

a.在空间位置上Ⅰ和Ⅰ′电位等值线，呈现对应关系，充Ⅰ中心偏移向北侧，两者具有相同的中心异常圈和角砾岩长轴具有一致的方向，这些特征显示，走向延伸上异常的矿体富集带和角砾岩体长轴具有类似特征，具有向北侧倾斜的产状特征，充分考虑具有异常的特点，对矿化富集带具有的走向方位角以及倾角和倾伏角进行估算，对矿化体产状问题有效解决。

b.电位值的垂直梯度通过垂直断面进行估算。550mV/A电为中心极值主要出现在580m中段，而260mV/A电为中心值主要出现在500m中段，依照垂直30m进行计算，每米有约10mV的电位衰减。虽然通过这种方式进行估算不是非常准确，然而能够将变为衰减速率有效的显示出来，充电体属于不等位体，矿化体没有从上中段向下中断进行延伸。

c.Ⅰ′中的220mV/A電位等值线主要分布在1550m中段，具有十分广泛的分布，同时还有很多中心存在。下中段以及上中段具有广泛的矿化富集带，可以更加全面了解和掌握矿体分布空间。

2.3利用视电阻率法和激发极化法寻找盲矿体

某一矿区2690m中段23，24，25川脉工程是为了对空矿进行普查而设计的，通过施工发现矿化点主要分布在24川脉，其他的工程没有建矿，利用激发极化法以及视电阻率法开展相应的观测工作，是极化率异常主要出现在23、24、25川脉的5～9号点、0～4号点、0～5号点，视电阻率ρs曲线与之相对应，具有低阻特点，n×10Ω·m是其电阻率值，可以将异常体存在的良导特征充分显示出来。

充分考虑地质的资料，F2断层上盘（NE向）是异常的主要分布部位，该断层主要呈现315°倾斜，角度在70°。依照岩性进行分析，辉绿辉长岩是异常出露的主要地段，主要为蚀变岩，钛辉长岩体主要分布在北西侧区域上，以上这些构造与岩性是产出矿体的主要部位，所以成矿有利地段具有明显的异常特征。根据测区已知矿体产出特点，23～25川脉坑道下方是主要的异常赋存区域，矿体有约10cm的厚度，有约100m走向长度异常，是由于隐伏铜矿体所导致，通过相应的验证工作发现，工业矿体主要出现在下部约20m的区域（图3）。

2.4某锡矿矿体延伸和产状通过浅镇反射波法进行判断

该矿面积达到40km2，是一个老矿区，也是一个重要的生产矿区，T2K51是主要的生产工作地层，石灰岩和大理岩比较发育，白云岩在部分地段互层，达到3000mΠs～6000mΠs地震波波速，土状氧化矿是其主要的矿石特点，n×10～n×102m/s为主要的地震波。通过研究发现，矿石以及围岩波速差异比较显著，对浅震反射波法应用提供了良好的基础，通过这一地段工作，主要对7-1号矿体，这一矿体已经揭露上部+50m中段，然而矿体的下延情况没有得到充分明确，对这一情况，通过浅震等偏移距反射波法来测定0号巷道东部的坑壁与Ⅱ号巷道南部的坑壁。

通过研究发现，反射信息具有两个，3ms主要开始与测点55号直到测点6号18ms处相反射轴，同时与深部36ms处，到55号测点深部有二次反射轴存在，线性界面反射信号非常典型，通过计算这一位置的围岩是3682mΠs的波速；tx=28ms（25号测点深处）有一个弧形存在，异常反射非常强烈，体现出透镜体以及溶洞的典型反射信号，对该处进行推测，存在软弱透镜体，达到50m的埋深。综合分析研究，+50m中段7-1号矿体是该透镜体。

3.结语

坑道物探方法与地面物探方法相比，具有以下优点：

a.通过全空间不同的方位观测，综合利用立体空间信息，有效地判定矿体空间位置、矿体的延伸及其矿体间的连通性；此外，勘探深度增大。

b.可根据不同的条件，采取各种不同的方法组合，能达到快速、准确判断矿体规模和产状的目的。

参考文献：

[1]张继伟.有色金属危急矿山的地球物理对策[J].中南矿冶学院学报， 2018 ， 24（6）：442～446.

[2]李良玉.应用地球物理教程[M].北京：地质出版社， 2017，（11）.

[3]徐超荣.坑道物探方法与原理[M].桂林：矿产地质研究院出版社， 2017，（02）.

[4]陈仲侯，傅唯一.浅层地震勘探[M].成都：成都地质学院出版社， 2018，（12）.