劉殿軍 賈三石 王恩德 宮國慧 叢桂新 陳繼宏

(1.鞍鋼集團礦業(yè)公司井下鐵礦，遼寧 遼陽 111000；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.中鋼集團天津地質(zhì)研究院有限公司，天津 300061)

井下鐵礦巷道掘進工作面超前預警探測

劉殿軍1賈三石2王恩德2宮國慧1叢桂新3陳繼宏1

(1.鞍鋼集團礦業(yè)公司井下鐵礦，遼寧 遼陽 111000；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.中鋼集團天津地質(zhì)研究院有限公司，天津 300061)

金屬礦山井下巷道施工過程中掌子面前方的地質(zhì)條件復雜多變，尤其存在采空區(qū)或含水采空區(qū)時，安全危害極大。為保障礦山開拓巷道施工安全高效，進行相關的超前預警探測研究顯得非常重要。為此，利用最新型的瞬變電磁法測量設備，使用自制多匝-超多匝重疊小回線測量裝置，采用扇形布點的數(shù)據(jù)采樣方式，運用多種數(shù)據(jù)處理解譯方法，在井下鐵礦-10 m中段掘進巷道掌子面前方成功發(fā)現(xiàn)含水破碎帶和遺留老舊采空區(qū)。其成果表明井下瞬變電磁法可以實現(xiàn)金屬礦山掘進巷道掌子面的超前預警探測，為金屬礦山安全生產(chǎn)提供技術保障。

井下瞬變電磁法 鐵礦床 超前預警探測 重疊小回線 巷道掌子面

人類社會的進步與發(fā)展離不開對礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，而隨著地表礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，易采礦產(chǎn)資源越來越少，采礦活動逐步由地表、近地表的露天開采向深井發(fā)展。井下開采不可避免的遇到巷道掘進工作，掘進中斷層、涌水、坍塌等地質(zhì)災害影響作業(yè)安全，進而提高生產(chǎn)成本，特別是掘進過程中遇到一定歷史時期遺留的采空區(qū)或充水采空區(qū)，安全危害極大。因此，如果可以提前發(fā)現(xiàn)掘進巷道掌子面前方地質(zhì)情況，預測斷裂充水帶或采空區(qū)的存在，實時調(diào)整巷道掘進工藝，并采取對應的安全預防措施，不但可以保障生產(chǎn)安全，而且還會大大降低施工風險和掘進成本，實現(xiàn)危險因素的超前預警探測[1]。

超前預警探測最早應用于煤礦涌水作業(yè)面和隧道的超前地質(zhì)預報，并取得了不少研究成果[2-5]，但對于金屬礦山的應用，特別是鐵礦山的應用還是一個空白。為此，本研究以井下鐵礦巷道的超前地質(zhì)預警探測為實例，以最新研發(fā)的瞬變電磁法設備TerraTEM為基礎，采用自制的多匝-超多匝重疊小回線裝置，開展瞬變電磁法在鐵礦山采空區(qū)超前預警探測中的應用研究，為安全高效的井下鐵礦山采掘工作提供技術支撐。

1 井下鐵礦掘進巷道超前預警探測基本原理

瞬變電磁法，通常采用的是半空間域探測的地面時間域電磁法，它具體是采用不接地回線裝置或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間使用線圈或接地電極等裝置觀測二次渦流場?；驹硎请姶鸥袘?，其衰減過程一般分早、中和晚期等3個場，早期場主要相當于頻率域中的高頻成分，衰減快而趨赴深度小，晚期場則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢而趨赴深度大。此方法具體就是通過測量斷電后不同時間段的二次場隨時間的變化趨勢，以得到不同探測深度的地電特征，來反演得到不同深度的地質(zhì)分布情況，從而達到解決工程地質(zhì)問題的目的。

相比于地面瞬變電磁法，井下瞬變電磁法的探測基本原理與其一致，即開始地球物理測量時架設線圈使其法線方向?qū)示妈F礦掘進巷道中所要探測的掌子面前方，后在發(fā)射裝置中通以階躍電流并瞬間關斷后，任一時刻發(fā)射裝置前方的渦旋電流在發(fā)射位置處產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場，被地球物理學家形象的稱之為“煙圈效應”[6-7]。從上述效應可知，井下瞬變電磁法早期瞬變電磁場反映的是淺部介質(zhì)的地電特性分布，其晚期電磁場反映的是深部介質(zhì)的地電特性分布。地球物理探測過程中，如果按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就可以得到二次場隨時間衰減變化的特性曲線，把發(fā)射電流歸一化后成為V(t)/I特性曲線。因此，探測巷道掌子面前方一定距離內(nèi)巖層的電性變化情況可依據(jù)接收到電場電動勢隨時間的衰減變化規(guī)律而得到，這樣就達到掘進巷道掌子面超前探測目的。

由于井下鐵礦瞬變電磁法應用過程中，地球物理測量存在由半空間到全空間的轉(zhuǎn)變，存在特有的“雙煙圈效應”(如圖1)，一時間引起探測方向的難以確定的問題。但大量的井下探測理論研究和超前預警應用研究表明井下瞬變電磁法探測結(jié)果主要反映主探測方向前方一定距離內(nèi)的介質(zhì)電性變化情況[8]。

關于井下瞬變電磁法的視電阻率計算，主要采用井下瞬變電磁法全空間域視電阻率計算公式[9-11]：

(SN)2/3×(V/I)-2/3t-5/3,

(1)

式中，C為全空間響應系數(shù)；S為接收回線線圈面積；N為線圈匝數(shù)；t為二次場衰減時間；V/I為歸一化電位值。

圖1 井下瞬變電磁法“煙圈效應”

2 井下鐵礦掘進巷道超前預警探測技術方法

由于井下鐵礦巷道掘進工作面探測空間狹小，為滿足探測精度和距離的需要，井下瞬變電磁法多采用邊長1～2 m的多匝-超多匝重疊小回線測量裝置(見圖2)[12]，探測中通過不斷增加探測發(fā)射裝置和接受裝置的線圈匝數(shù)來不斷增大發(fā)射磁矩和有效接收面積來不斷提高信噪比，進而滿足井下鐵礦掘進巷道掌子面前方不同探測距離的要求。具體實施過程是沿掌子面前方，先緊貼巷道左側(cè)壁向掌子面，再向右側(cè)壁呈扇形路徑逐點測量，最終獲取掌子面前方及兩側(cè)不同距離內(nèi)地電特征分布情況。

圖2 井下瞬變電磁法探測裝置

在井下瞬變電磁法探測過程中，由于鐵礦體為低阻，一定程度上影響探測距離，這時可適當通過不斷增大發(fā)射線圈電流和接收線圈采樣時間來探測掘進巷道掌子面前方及兩側(cè)不同距離內(nèi)的地電異常分布特征。對現(xiàn)場采集到的瞬變電磁法測量數(shù)據(jù)，第一步進行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)預處理工作(剔除數(shù)據(jù)異常點、電動勢曲線剪切和數(shù)據(jù)濾波增強處理)，消除各類因素導致的數(shù)據(jù)畸變；第二步，根據(jù)探測區(qū)已知地電特征，建立反演模型；第三步，依據(jù)反演模型，對測量處理數(shù)據(jù)進行視電阻率反演計算，并進行相關的時間-深度轉(zhuǎn)換，并繪制帶有探測距離和視電阻率值的地球物理解譯圖件；第四步，結(jié)合探測區(qū)已有地質(zhì)資料和地球物理探測資料及相關的開采情況，對地電異常解譯，圈出異常區(qū)域供鉆探驗證。

3 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鞍本鐵礦產(chǎn)區(qū)，為典型的鞍山式富鐵礦床，賦礦地層主要為太古界鞍山群茨溝組，茨溝組為變質(zhì)巖系，其由老到新分別為下部角閃巖層、下含鐵層、中部鈉長變粒巖、上含鐵層和硅質(zhì)巖層組成[13]。由于是典型的富鐵礦床，研究區(qū)不同采礦中段既存在日偽時期采富棄貧遺留的空場型老舊采空區(qū)，且大多已充水，同時也存在礦產(chǎn)資源整合開發(fā)以前無序開采、濫采濫挖形成的成串、多層分布的面積型空區(qū)，給運輸巷道的開拓和井下鐵礦開采帶來極大的安全危害。

4 超前預警探測實例

4.1 井下鐵礦超前預警探測裝置及參數(shù)設置

井下鐵礦掘進巷道掌子面探測設備主要采用TerraTEM，該地球物理探測設備可設置更多的時間門，且具有很高的采樣分辨率，特別是在配置增強型快速關斷時間控制裝置后，測量關斷時間更短而使其可采集淺層地電數(shù)據(jù)，以特別適合于淺—中層地球物理測量[14-15]。

根據(jù)井下巷道掘進過程中探測區(qū)域的地質(zhì)和空間條件限制，為最大限度的保證探測距離和精度，測量裝置采用多匝-超多匝重疊小回線裝置(40～50匝)，線圈直徑1.5 m，測量發(fā)射裝置電流5～7 A，發(fā)射關斷時間0.10～0.40 ms，512次測量疊加，一定采樣時間段內(nèi)，單個測量點采樣密度控制在90～100窗口實現(xiàn)高精度和高分辨率采樣。探測流程為沿掘進巷道掌子面左側(cè)貼壁開始測量，逐步向掌子面貼壁測量，后轉(zhuǎn)向掌子面右側(cè)貼壁測量，測量點(1～14)從掌子面左側(cè)→掌子面前方→掌子面右側(cè)呈扇形分布(如圖3)。

圖3 巷道掘進掌子面測量點布置

4.2 掘進巷道掌子面探測結(jié)果及分析研究

本次應用研究共在井下鐵礦不同開拓巷道布設了6條扇形測量剖面，每條剖面測點數(shù)10～16個不等，均控制了開拓巷道掌子面前方及兩側(cè)一定距離內(nèi)的地電分布特征，地球物理測量成果達到了預期研究目的，為鐵礦山井下巷道開拓提供了安全技術保障。下面以井下鐵礦巷道1005穿的典型超前預警探測成果為例進行分析研究(見圖4)。

圖4 掘進巷道掌子面超前預警探測結(jié)果

1005穿開拓巷道為井下-10 m中段，在巷道開拓過程中曾出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，懷疑前方存在含水破碎帶或充水采空區(qū)，為保安全施工，進行了超前預警探測，其中第1～4點為掌子面左壁，第5～11點為掌子面前方，第12～14點為掌子面右壁。探測結(jié)果顯示(圖4)，掌子面前方10～18 m處出現(xiàn)明顯低阻異常，可推斷為含水破碎帶，而28 m處出現(xiàn)局部高阻異常，結(jié)合已有地質(zhì)資料，可推斷為采空區(qū)。

針對測量結(jié)果，礦山進行了鉆進施工，在掌子面前方12 m打到含水的斷裂破碎帶，而在30 m處見到鐵礦采空區(qū)，其內(nèi)未含水。

由上述探測成果可知，鐵礦山井下巷道掘進過程中對章子面前方及兩側(cè)進行超前預警探測是可行的，且具有方便、快捷和高效的特點。相比于傳統(tǒng)的電法勘探，超前預警探測中測量數(shù)據(jù)——視電阻率大小的計算結(jié)果受多種因素制約，如發(fā)射線圈面積和匝數(shù)、異常體規(guī)模大小及埋深等。此外，計算視電阻率大小還與探測異常體的真實電阻率存在較大差異，且關斷時間的影響而存在一定的探測盲區(qū)(本次0～5 m)，這都需要結(jié)合已有地質(zhì)資料進行細致分析和解譯。

5 結(jié) 論

(1)超前預警探測成果表明，井下鐵礦掘進巷道掌子面超前探測不受目標體的空間限制，全空間域內(nèi)也可以實現(xiàn)對金屬礦山井下掘進巷道掌子面前方的超前預警探測，圈出潛在危險區(qū)供驗證處理。

(2)采用多匝-超多匝重疊小回線探測裝置的井下瞬變電磁法可以實現(xiàn)對工作區(qū)面全方位定點、定深和定方向靈活高效探測，不存在傳統(tǒng)物探的探測死角和探測盲區(qū)，且具有很高的探測精度和分辨率。

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(責任編輯 徐志宏)

Advanced Early Warning Detection Ahead of Tunneling in Underground Iron Ore

Liu Dianjun1Jia Sanshi2Wang Ende2Gong Guohui1Cong Guixin3Chen Jihong1

(1.Underground Iron Mine of Angang Steel Group Mining Company,Liaoyang 111000,China;2.School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3.Sinosteel Tianjin Geological Academy,Tianjin 300061,China)

During the underground tunnel construction process of metal mines,the geological conditions in front of tunnel face vary widely,especially when the goaf or the water-containing goaf occurs,resulting in great safety hazards.In order to ensure the safety and efficiency of mine roadway construction,the advanced early warning research is much needed.Therefore,water bearing fracture zone and goaf left in front of roadway tunnel face in the underground mine -10 m middle are found by adopting the upgraded TEM equipment together with the self-made multi-turn or over multi-turn small coincident loop measuring device,through the sector positioning data sampling method,and using multiple data processing and interpretation method.The results showed that the mine TEM method can be applied in advanced warning detection of roadway tunnel face in metal mines,and can provide technical guarantee for the production safety of metal mines.

Underground TEM,Iron ore deposit,Advanced early warning detection,Small coincident loop,Roadway tunnel face

2014-09-07

劉殿軍(1973—)，男，高級工程師。

P319，X936

A

1001-1250(2014)-11-147-04