全波列聲波測井技術在露天邊坡中的應用

原 野，陳占林，王 輝，施光林，文國良，郭利杰

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.哈密焱鑫銅業有限公司，新疆 哈密839000；3.青海鴻鑫礦業有限公司，青海 格爾木816000）

巖體完整性是指巖體內以裂隙為主的各類地質界面的發育程度，是巖體結構的綜合反映，取決于結構面切割程度、結構體大小以及塊體間結合狀態等因素，是巖體工程中采用的概括性指標。因此，如何既科學又方便地評價工程巖體的完整性對巖石工程建設意義十分重大。目前國內外用以表征巖體完整性的指標較多，獲取這些指標的方法主要有3類：①彈性波測試法，基于此法的評價指標有巖體完整性指數KV等；②巖芯鉆探法，基于該法的評價指標有巖石質量指標RQD、單位巖芯裂隙數等；③結構面統計法，基于此法的評價指標有巖體體積節理數JV、平均間距dp等。這些評價方法各有優缺，且多數評價指標僅是從某一側面反映了巖體的完整程度。

1 聲波全波列測井技術的理論基礎

在井孔中，決定聲波傳播特性的主要參數是井內流體與周圍地層的性質、井眼大小、聲源頻率（或波長）以及傳播距離等。當儀器上的聲源被激發時，其產生的聲波可以分為兩類，一類是直接沿井傳播的波，包括滑行縱波、滑行橫波、偽瑞利波和斯通利波（低頻斯通利波又稱為管波），即井中的模式波；另一類是聲源輻射到井外的能量，它在地層中被地質構造界面反射回到井中并被儀器的接收器所接收，這些波在聲波測井中稱為反射波，它們的振幅比起井中的模式波通常要小得多。

聲波全波列測井主要利用沿井壁傳播的聲波—滑行波，來探測井壁巖體的地質結構，該法可借助探礦鉆孔進行探測，可對深部未揭露巖體完整性進行較為客觀的評價［1－10］，我國在露天及地下礦山對全波列聲波測井技術在多個礦山進行了應用嘗試［11－13］，取得了較為滿意的測試結果。全波列聲波測井技術最大的優勢是反映的巖體完整性不受爆破震動等外界因素干擾。將全波列測井技術應用于確定露天礦邊坡巖體完整系數，特別是對深部未剝離巖體的完整性進行評價，對露天礦山邊坡工程地質分區劃分、邊坡穩定性分析、邊坡角優化等研究具有重要的指導意義。本文以土屋銅礦露天邊坡為依托，研究全波列聲波測井技術對工程實踐的指導作用。

2 工程應用實踐

2.1 工程概況

新疆土屋銅礦礦區礦體靠近礦區內較大的F16斷裂破碎帶，巖礦破碎，完整性差，巖石及礦石的穩固性相對減弱，開采時容易出現局部滑坡和崩塌等地質災害。在礦山開采初期開展礦區邊坡穩定性分析及邊坡角優化所需的巖體完整系數的工作，有助于確定礦山安全可靠、經濟合理的整體開采規劃設計方案，減少后續開采過程中由于前期設計參數的不適宜而造成的經濟損失，從而實現礦山安全高效開采。

2.2 全波列聲波測井

聲波的傳播速度用因巖層不同而產生差異，同一巖層的聲波傳播速度也會因程度不同產生變化。隨著巖體裂隙發程度的變化，聲波波速也會發生變化，對聲波速度產生較大影響的因素主要有裂縫、溶洞等。巖體裂隙發育，則聲阻抗較大，波速相對較低，反之亦然。

表1 波速測試工作量統計表

全波列波速測試的任務是通過測量各勘察鉆孔的不同深度的巖體及巖芯的縱波速度，計算其完整系數，以此了解巖石的完整性、巖石類別及風化層的特征，為露天邊坡設計提供依據。要形成對整個露天采場的完整性的深入認識，必須進行大量的測試。土屋銅礦全波列聲波測試總深度750.5m、總次數853次。聲波測試工程量統計見表1。

2.3 測試結果完整性評價

在采集現場數據的基礎上，需要對現場巖體聲波測試數據進行室內軟件分析處理，結合室內巖塊聲波測試的結果綜合評判勘察范圍內巖體的完整程度。同時對測試的波形進行判讀，判讀處理見圖1。

根據相關勘察國家標準［14－15］，將土屋銅礦補充勘察鉆孔的完整程度劃分為較完整、較破碎、破碎、極破碎四個等級；結合土屋銅礦的鉆孔補充勘察的工程地質編錄結果，根據巖石質量指標RQD，劃分為較好的（RQD＝75～90）、較差的（RQD＝50～75）、差的（RQD＝25～50）、極差的（RQD＜25），采用3DMine礦山軟件對各個鉆孔的完整程度和RQD值進行了統計，具體如圖2所示。

圖1 現場測試數據處理結果示意圖

圖2 鉆孔完整性分布圖

總體來看，土屋銅礦巖體的聲波測試結果與工程編錄結果有很好的對應關系。分析結果顯示土屋銅礦露天邊坡的完整程度相對較差，以較破碎、破碎和極破碎為主，較完整只在D孔深部出現，可能預示露天轉向深部開采時，巖體質量將會得到一定改善。

通過各個鉆孔的實測結果，分析其對露天邊坡工程地質分區的指導作用如下所示。

1）以C孔、G孔為代表的、處于F16斷層影響范圍內的工程地質巖體完整性相對較差，基本以破碎、極破碎為主，由于F16斷層為大傾角逆斷層，最大主應力方向垂直于斷層的走向方向。因此，在于F16斷層相交的東西兩側邊幫上，受到最大主應力的夾持力作用，F16斷層不會對最終邊坡穩定性產生直接影響，其影響主要是逆斷層成巖過程中的成分復雜、巖體呈極破碎泥質膠結狀態，受到地下水及風化等的影響，可能引起次生地質災害。

2）D孔、E孔巖體質量相對較好，邊坡角優化時可考慮適當提高角度，但要注意以較破碎巖體為代表的弱面、潛在滑移面對整個北側邊坡的影響。

3）B孔處于次閃長玢巖與安山巖和玄武巖等不同巖性成巖期交替變化的部位，巖體質量相對較差，因此，可考慮將B孔與C孔為代表的區域劃分為一個工程地質分區。

4）A孔、F孔以安山巖和玄武巖為代表，摻雜少量角礫熔巖，通過鉆孔完整程度可以看出，A孔質量相對較好，總體來看，可與F孔劃分為同一區域，南側未來邊坡的穩定性受到較破碎為主的弱面、潛在滑移面的影響。

3 結論

分析全波列測井信號屬性參數的特征及其變化規律，可以較準確地反映軟弱夾層的位置、層厚度，評價裂隙帶的滲透性。從而可以有效的劃分巖層，識別巖性，求得巖體完整性系數，對露天礦邊坡巖體完整性做出評價，對邊坡穩定性分析及邊坡工程的防治設計提供重要依據。

聲波測井技術成功應用于評價新疆某露天礦邊坡巖體完整性，為礦山設計和工程地質分區的劃分提供依據，該法可為類似礦山評價邊坡巖體完整性借鑒。

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