孔繁軍

(中國華冶科工集團有限公司)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在大水礦山開拓巷道的應(yīng)用研究

孔繁軍

(中國華冶科工集團有限公司)

為保障大水礦山巷道開拓安全，根據(jù)地震波反射法、地質(zhì)雷達、紅外探水儀、瞬變電磁法在井下試驗情況，結(jié)合井下巷道環(huán)境特點，提出了開拓巷道三級綜合超前地質(zhì)預(yù)報探測方案，在中關(guān)鐵礦-260 m水平副井東巷進行了應(yīng)用試驗。結(jié)果表明，綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)較單一物探方法精確性明顯提高，減少超前鉆孔50%以上，大大提高巷道掘進速度。

超前預(yù)報 巷道開拓 大水礦山

經(jīng)過近幾十年的開采，我國淺部及水文地質(zhì)條件相對簡單的礦產(chǎn)資源已逐漸枯竭。在我國部分礦石自給率長期不足的形勢下，加大深部及地質(zhì)條件復(fù)雜礦床的開采是必然趨勢。因此近年來大水礦山的建設(shè)逐步啟動，如河北鋼鐵集團所屬的中關(guān)鐵礦、大賈莊鐵礦等。大水礦山在礦山建設(shè)過程中未形成完善的排水系統(tǒng)，井巷開拓時面臨較大的突水風(fēng)險。白象山鐵礦在基建期就曾發(fā)生嚴重的突水淹井事故，造成巨大損失。因此，巷道掘進時通過超前探水掌握圍巖的富水情況尤為重要。目前礦山超前探水主要以鉆孔的方式，鉆孔探水直觀、準(zhǔn)確，但施工時間長，成本較高，有限的鉆孔也不能完全體現(xiàn)圍巖的富水情況。近年來物探方法在隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，礦山巷道施工物探也有嘗試，但一般使用的方法較單一，提供的探測結(jié)果可靠性不高。本文通過TSP地震反射波法、孔內(nèi)探水儀、地質(zhì)雷達、紅外探水儀等多種物探方法的試驗研究，探討了大水礦山開拓適用的綜合超前探水技術(shù)。

1 井下巷道超前探測的特點

井下開拓巷道綜合超前探測技術(shù)參考了隧道施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報。國內(nèi)外對于隧道超前預(yù)報的研究較多，研發(fā)了多種隧道超前探測儀器設(shè)備，應(yīng)用較為成熟。隧道與井下開拓巷道具有一定的相似性，但隧道超前探測重點關(guān)注圍巖的穩(wěn)定性，具有長直的特點，適合長距離探測手段；大水礦山井下巷道超前探測的重點是對圍巖富水性探測，地下礦山開拓巷道彎道較多，更適用短距離探測方法。因此，應(yīng)選擇對水體探測精度較高的物探類型。

2 超前地質(zhì)預(yù)報總體方案

通過對TSP地震反射波法、鉆孔探水法、地質(zhì)雷達及紅外探水儀4種物探方法的現(xiàn)場試驗，掌握各方法對不同地質(zhì)體的識別特性，圍繞富水性探測，建立礦井巷道三級探測超前地質(zhì)綜合預(yù)報方案。

(1)初步長距離預(yù)報。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料對開挖區(qū)域的地質(zhì)情況進行研究，估測巖層、斷層面和其他重要地質(zhì)界面的產(chǎn)狀，預(yù)測地下水富存段及掌子面前方長距離預(yù)報。通過地震反射波法探測，初步查明前方0～120 m不良地質(zhì)體的類型、大概位置和規(guī)模，確定不良地質(zhì)體與巷道軸線相交的位置和夾角。結(jié)合地質(zhì)分析及地震波反射法探測結(jié)果進行區(qū)域富水性初步分級，以A、B、C、D 4個等級表示富水性依次為強富水、較富水、一般富水和不富水。

(2)二次預(yù)報。應(yīng)用地質(zhì)雷達、紅外探水儀進行中短距離探測，根據(jù)地質(zhì)雷達反射波形圖及頻譜特征，得到掌子面25 m范圍內(nèi)圍巖不良地質(zhì)構(gòu)造及富水性情況，分級方法與初次預(yù)報一致。若富水性為C、D級時，在掌子面進行5 m短探后正常掘進。

(3)驗證預(yù)報。根據(jù)初次、二次預(yù)報的結(jié)果，若兩次預(yù)報富水性等級較高(A、B級)，或者初次預(yù)報和二次預(yù)報結(jié)果不一致時，則在巷道中心鉆進一個探孔，根據(jù)鉆孔涌水情況及鉆孔探水儀探測結(jié)果布置探水鉆孔。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

河北鋼鐵集團中關(guān)鐵礦主要礦體均賦存于巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜。正在進行的井下-260 m水平開拓巷道涌水量大，掘進巷道采用50 m超前鉆孔探水，施工進度極為緩慢，防治水成本高。為提高施工速度，在保障安全的前提下，從-260 m水平副井中心向東26 m處應(yīng)用了綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，試驗段巷道120 m，效果顯著。

3.1 TSP系統(tǒng)長距離超前探測

在開拓巷道起始點掌子面(副井中心向東26 m處)進行了第一循環(huán)的TSP系統(tǒng)長距離探測，探測距離120 m。根據(jù)試驗巷道實際條件，確定在巷道左幫上水平布置24個炮孔和1個檢波孔。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理，得到橫波、縱波、縱橫波速比等重要參數(shù)變化結(jié)果。各參數(shù)平均值為縱波速4 108 m/s，橫波速2 592 m/s， 彈性模量31.43 GPa，泊松比0.17，大部分區(qū)域巖石隧道圍巖與掌子面和炮孔段巖體基本一致。由圖1、圖2可知，在70～90 m，110～150 m反射波明顯，距離掌子面70 m處Vp降低明顯，預(yù)計節(jié)理裂隙發(fā)育，130 m處泊松比升高，Vp/Vs增大，預(yù)計該圍巖段可能含裂隙水。根據(jù)已有的地震波反射法探測解譯基礎(chǔ)，反射波明顯段斷層破碎帶可能性增大。初次預(yù)報0～70 m富水性為C-D級，70～140 m富水性為B-C級。

圖1 速度參數(shù)

圖2 彈性參數(shù)

3.2 地質(zhì)雷達、紅外探水儀二次探測

在開拓巷道起始點掌子面(副井中心向東26 m處)進行了第一循環(huán)的地質(zhì)雷達、紅外探水儀探測，探測有效距離25 m，此后每掘進20 m進行一次探測，共實施6個循環(huán)探測。第1～3次探測，地質(zhì)雷達反射波不明顯，信號頻率為中高頻；紅外探水儀前3次探測結(jié)果均為C-D級富水。二次探測預(yù)報結(jié)果與初步長距離探測結(jié)果相符。因此，試驗段0～60 m 段實施短探后掘進方案。

第4～6次探測均出現(xiàn)雷達反射波異常，經(jīng)處理的雷達波形如圖3所示，紅外探測結(jié)果如圖4。分析認為，試驗段64 m后雷達信號反射明顯，中低頻特征，圍巖破碎、富水性較大。紅外探測結(jié)果顯示，從掌子面由外到里探測值整體呈上升趨勢。距離掌子面30 m之外，巷道拱與邊墻探測值差異較大，從曲線整體看，最大值與最小值相差近70，遠超出一般認為的安全值10。因此分析認為試驗段60 m 后富水性為A-B級。

3.3 孔內(nèi)探水儀驗證探測

試驗段第4次進行的探測預(yù)報富水性為B級。

圖3 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

圖4 紅外探水儀探測結(jié)果

根據(jù)綜合探測方案，即進行巷道中心鉆孔探水儀探測。巷道中心探孔深49 m，鉆進過程中雖未見超過3 m3/h的涌水。鉆孔探水儀的探測結(jié)果如圖5，視電導(dǎo)率在16～22 m從低到高再降低的過程，說明鉆孔此段周圍可能有一個低阻地質(zhì)體；在34～48 m段，電導(dǎo)率逐漸升高，變化緩慢，49 m處又開始降低，說明此段鉆孔較遠處有一個低阻體。視電導(dǎo)率和視極化率在32～36 m有明顯變化，可能有含水體；46 m處視極化率有變化，視電導(dǎo)率有升高趨勢，周圍可能有含水體。經(jīng)分析認為探測段圍巖有較大的富水可能性，應(yīng)進行全斷面長鉆孔探測。

3.4 實際開挖驗證

試驗段前60 m經(jīng)綜合探測預(yù)報為不富水區(qū)，實施短探后掘進，經(jīng)開挖驗證，該段涌水量較小，節(jié)理裂隙不發(fā)育，掌子面涌水小于5 m3/h，和預(yù)報結(jié)果相符，減少了大量的探水鉆孔，節(jié)約工期20 d；第4循環(huán)探測結(jié)果表明，試驗段60 m后存在破碎帶，圍巖富水可能性增加，實施了全斷面50m超前長探，在試驗段70 m處鉆孔涌水量達25 m3/h，實施了注漿堵水，與預(yù)報基本相符。

圖5 鉆孔探水儀探測數(shù)據(jù)分析

4 結(jié) 論

通過對金屬礦山井下巷道超前探測的特點分析，對各類物探方法的調(diào)查與試驗研究，得到井下開拓巷道適用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案，并在中關(guān)鐵礦-260 m水平應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

(1)形成井下開拓巷道綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，即TSP地震反射波法探測進行初步長距離探測，地質(zhì)雷達和紅外探測法聯(lián)合進行二次中短距離探測，巷道中心孔驗證探測的三級綜合超前探測，根據(jù)富水性等級布置探水鉆孔。

(2)綜合超前地質(zhì)預(yù)報可有效提高超前探測精確性，較單一物探法預(yù)報可靠性高。通過對圍巖富水性預(yù)報，在巷道掘進期間可減少鉆孔1/2以上，經(jīng)濟效益明顯。

[1] 齊 甦．隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：氣象出版社，2010．

[2] 王正成，譚巨剛，孔祥春，等.地質(zhì)雷達在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J ].鐵道建筑，2005(2):9-10.

[3] 羅利銳,劉志剛,陳文濤，等.紅外探測技術(shù)在海底隧道地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2010(8):775-781.

Application on the Comprehensive Advanced Geological Prediction Technology in the Development Tunnel of Inundation Mine

Kong Fanjun

(China Huaye Group Company Limited)

In order to ensure the safety development tunnel of the inundation mine, according to the test condition at underground by the seismic wave reflection method, ground penetrating radar, infrared probe water instrument and drilling exploration water instrument, and combining with the underground tunnel environment characteristics, the three-level comprehensive advanced geological prediction detection scheme about development roadway is proposed, and it is tested in the east lane of -260 m level auxiliary shaft in the zahongguan iron mine. The results showed that, the comprehensive advanced geological prediction technology is more accurate than a single geophysical method and reduce more than 50% advanced boreholes,besides that, the speed of tunneling is improved greatly.

Advanced prediction, Development of tunnel， Heavy-water mine

2014-10-26)

孔繁軍(1963—)，男，高級工程師，100176 北京市亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)康定街1號B2座。