容 宇

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤礦業(yè)分公司， 云南 曲靖市 654211)

0 引 言

下伏采空區(qū)直接威脅著上部礦體開(kāi)采安全，如何有效探明下部采空區(qū)形態(tài)一直是研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外采空區(qū)的探測(cè)方法多種多樣，主要以工程鉆探和地球物理勘探技術(shù)為主[1]。工程鉆探技術(shù)很直觀，可以直接查明地下地質(zhì)體的實(shí)際情況，但是鉆探畢竟只能控制一處較小的面積，對(duì)于工程量大，覆蓋面積廣的勘探區(qū)域則無(wú)法實(shí)現(xiàn)[2]。所以工程上更傾向于采用地球物理勘探為主，工程鉆探為輔。物探技術(shù)主要包括重力勘探方法、電磁方法、地震勘探方法等[2-12]。

某鋁土礦開(kāi)采至今，由于常年不規(guī)范開(kāi)采，致使下部既存在大型的因分段開(kāi)采造成的采空區(qū)，又存在大量因民采活動(dòng)造成的大小位置不詳?shù)牟煽諈^(qū)，且采空區(qū)的空間分布和狀態(tài)十分復(fù)雜，嚴(yán)重威脅礦區(qū)建設(shè)與安全開(kāi)采。本文以某鋁土礦下伏采空區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)各種空區(qū)勘探方式在該下伏采空區(qū)的適用性進(jìn)行了研究，為某鋁土礦的安全生產(chǎn)提供參考。

1 工程概況

該礦區(qū)屬于地勢(shì)較低的丘陵地帶，從西往東地勢(shì)逐漸遞減，兩邊地勢(shì)高于中部地區(qū)。海拔高度介于370 m和760 m之間，最大相對(duì)高差為390 m。地區(qū)坡度介于15°與45°之間，總體的坡度為25°左右。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被黃土所覆蓋，形成了大片的沖溝，沖溝方向呈近南北向。區(qū)內(nèi)大多地方缺水嚴(yán)重，雨季和旱季雨量相差極大。

該礦區(qū)地層為第四系地層，通過(guò)鉆探調(diào)查及對(duì)地表情況的調(diào)查，查明了礦區(qū)地層由老到新分為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系。礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造包括褶皺和向斜，礦區(qū)地層大致呈一個(gè)大的單斜，傾角20°～40°，傾向170°～220°，大致的傾角為25°～32°，沿走向不同地段略有變化。由于受到構(gòu)造的影響，不同地層的產(chǎn)狀有所變化，礦體的產(chǎn)狀幾乎與地層產(chǎn)狀一樣，呈一個(gè)巨大的單斜。

該區(qū)域同時(shí)附存煤礦層和鋁土礦層，且賦存于較淺的位置，由于早期不規(guī)范開(kāi)采，對(duì)該區(qū)域地下空間穩(wěn)定性和采場(chǎng)作業(yè)安全造成重大影響。開(kāi)采區(qū)域內(nèi)空區(qū)的位置不明確、大小不確定，極大程度制約了地下深部鋁土礦的安全開(kāi)采，并對(duì)后續(xù)的地面建構(gòu)筑物構(gòu)成了威脅。不查明采空區(qū)的具體位置、形態(tài)和規(guī)模，地面建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性同樣無(wú)法得到保障。因此，有必要對(duì)亂采亂挖造成的采空區(qū)進(jìn)行深入勘探，充分了解采空區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境，探明采空區(qū)埋藏的深度、規(guī)模、形態(tài)，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)和人民的財(cái)產(chǎn)安全提供保障。

該試驗(yàn)研究采用大地電磁成像(EH-4)法和高密度電法2種探測(cè)方法，并結(jié)合采空區(qū)上覆巖性的地質(zhì)特征及地球物理特征制定可行的探測(cè)方案，為采空區(qū)的有效探測(cè)提供理論依據(jù)。

2 空區(qū)探測(cè)

采空區(qū)必巷道相連并通往礦井，并且由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來(lái)看，大部分的采空區(qū)是由進(jìn)路巷道形成的。所以，可以通過(guò)追蹤連通開(kāi)采礦井的巷道來(lái)確定采空區(qū)勘探的范圍。

2.1 巷道條數(shù)探測(cè)

采用物探法探測(cè)采空區(qū)時(shí)，為了不漏掉礦井的每個(gè)巷道，在礦井口布置了4條測(cè)線，呈“井”字行分布，礦井口位于“井”字型測(cè)線中心(見(jiàn)圖1)，以確保只要該礦井有巷道定會(huì)在測(cè)線Q1～Q4的探測(cè)成果圖上，根據(jù)成果圖上推斷礦層上異常點(diǎn)的個(gè)數(shù)并結(jié)合調(diào)查資料即可判定該礦井的巷道條數(shù)。為了提高工作效率，在使用大地電磁成像(EH-4)方法探測(cè)時(shí)將“井”字型測(cè)線布置改為“口”字型測(cè)線布置，如圖1中測(cè)線Ⅰ～測(cè)線Ⅳ(實(shí)線)，測(cè)線長(zhǎng)均為6 m。高密度電法探測(cè)時(shí)為了達(dá)到足夠的探測(cè)深度仍使用“井”字型測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)均為150 m。

圖1 測(cè)線布置

2.2 巷道走向和長(zhǎng)度探測(cè)

如圖1，若測(cè)線Ⅰ在n點(diǎn)處有一巷道通過(guò)，則礦井口中心o點(diǎn)和n點(diǎn)連成的射線方向即為巷道的走向。在離o點(diǎn)稍小于調(diào)查巷道長(zhǎng)度處，橫跨巷道走向再布置一條測(cè)線N1(用大地電磁成像[EH-4]方法探測(cè)時(shí)測(cè)線長(zhǎng)20.0 m，用高密度方法探測(cè)時(shí)測(cè)線長(zhǎng)150 m)，如果測(cè)線N1探測(cè)成果圖的m點(diǎn)有異常反應(yīng)，再沿巷道走向往前平移一段距離橫跨巷道走向布置測(cè)線N2(用大地電磁成像[EH-4]方法探測(cè)時(shí)測(cè)線長(zhǎng)30.0 m，用高密度方法探測(cè)時(shí)測(cè)線長(zhǎng)150 m)，如果N2探測(cè)成果圖上的巷道出現(xiàn)異常情況，則測(cè)線N2繼續(xù)向巷道走向方向平移，直到測(cè)線N2探測(cè)成果圖上完全沒(méi)有巷道的異常反應(yīng)時(shí)，巷道的長(zhǎng)度就能基本確定。

2.3 采空區(qū)探測(cè)結(jié)果

分析大地電磁成像(EH-4)法的測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制電阻率擬斷面圖，如圖2、圖3所示。采空區(qū)異常顯示出高、低阻情況，為此，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境、地質(zhì)情況和調(diào)查資料綜合判斷。一般情況為：低阻異常(見(jiàn)圖2)可判斷為巷道充滿水或泥水；高阻異常(見(jiàn)圖3)可認(rèn)為巷道是空氣充填或半充填。

圖2 199#巷道異常呈低阻反應(yīng)

圖3 245#巷道異常呈高阻反應(yīng)

探測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大地電磁成像(EH-4)法對(duì)于埋深小于20.0 m的巷道有時(shí)效果不明顯。對(duì)于此類埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探測(cè)，極距為2.0 m；而對(duì)于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地電磁成像法探測(cè)，極距、點(diǎn)距均為2.0 m。

已有地質(zhì)資料顯示，251#井空區(qū)埋深大于20.0 m，大地電磁成像法更為適合該空區(qū)的探測(cè)，為此采用該方法對(duì)251#井空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)過(guò)程中，在251#井拼接測(cè)線樁號(hào)4.0 m，高程464.6 m，發(fā)現(xiàn)一高阻異常點(diǎn)，判斷為巷道通過(guò)處。在251×N1測(cè)線樁號(hào)8.0 m，高程465.4 m處，發(fā)現(xiàn)一高阻異常點(diǎn)，判斷為巷道通過(guò)處，探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4251#井EH-4電阻率擬斷面

再根據(jù)平面布置圖，確定空區(qū)(巷道)方位，走向S34°W。探測(cè)所得原始數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理重構(gòu)采空區(qū)三維圖，埋深24.5 m，長(zhǎng)度9.5 m，寬度約2 m(見(jiàn)圖5)。

圖5 251#井采空區(qū)平面分布

3 采空區(qū)治理

結(jié)合礦山工程實(shí)際，適用于礦山的采空區(qū)處理方法如下。

(1) 對(duì)于體量較小的采空區(qū)，可砌筑一定厚度的隔離墻，阻隔由采空區(qū)中圍巖垮落所產(chǎn)生的沖擊波、沖擊氣浪及飛石。

(2) 對(duì)范圍較大的采空區(qū)，條件滿足的情況下，采取構(gòu)筑人工石柱的方式處理空區(qū)。采用該方式時(shí)，常結(jié)合錨索或錨桿對(duì)采空區(qū)進(jìn)行局部加固等臨時(shí)措施，構(gòu)筑人工石柱對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。

(3) 當(dāng)采空區(qū)體積較大且對(duì)上覆鋁土礦開(kāi)采影響較大時(shí)，可考慮采用充填材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，使充填體與圍巖共同作用，以改變圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，達(dá)到有效控制地壓和防止地表塌陷等目的。

綜上，對(duì)于大體積采空區(qū)應(yīng)采用大采空區(qū)充填關(guān)鍵承載位置的方法進(jìn)行地壓處理，再對(duì)通往大采空區(qū)的巷道進(jìn)行封閉，以防止大規(guī)模圍巖崩落所形成的沖擊波對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的危害，即采用充填-封閉聯(lián)合處理空區(qū)法。

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)初步選擇的高密度電法和EH-4大地電磁法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)際探測(cè)，對(duì)比2種方法實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中探測(cè)結(jié)果的差異。探測(cè)結(jié)果表明：對(duì)于埋深小于20.0 m的巷道宜采用高密度方法探測(cè)，其極限距離為2.0 m；對(duì)于埋深大于20.0 m的巷道宜采用大地電磁成像(EH-4)法探測(cè)，極距、點(diǎn)距均為2.0 m。

(2) 結(jié)合空區(qū)賦存形態(tài)，最終確定利用大地電磁成像(EH-4)法對(duì)該礦的251#井進(jìn)行了探測(cè)，確定了采空區(qū)的異常范圍、埋深、形態(tài)及充填情況，探測(cè)結(jié)果為：采空區(qū)埋深24.5 m，長(zhǎng)度9.5 m，走向S34°W，寬度約2 m，巷道內(nèi)空氣充填或半充填。

(3) 給出了采空區(qū)處理的主要措施，即充填-封閉聯(lián)合處理空區(qū)法。