余一松 朱志根 劉家明 李華華

（長沙有色冶金設計研究院有限公司）

世界鋁土礦儲量豐富，分布不均衡。目前，國外鋁土礦總生產(chǎn)能力在1.5億t/a以上，露天開采占世界鋁土礦產(chǎn)能90%～95%，地下開采只在我國和歐洲小部分地區(qū)，產(chǎn)量約占5%～10%［1-2］。我國鋁土礦資源大部分采用地下開采的方式，屬于難采礦床，鋁土礦地下礦山在開采過程中存在諸多問題，主要表現(xiàn)在地下開采回收率低、資源損失浪費嚴重、圍巖破碎不穩(wěn)固［3］。針對以上問題，學者在鋁土礦頂板穩(wěn)定性、破壞類型及機理方面開展了大量研究［4］。王啟耀等［5］認為頂板彎曲變形破壞是水平層狀圍巖的主要破壞方式，變形破壞程度與巖層厚度及層面剪切剛度有關。孫偉等［6］將采場頂板簡化為固支的彈性薄板，發(fā)現(xiàn)頂板燒度從中央向邊緣減小，認為頂板從中部向兩幫破壞。賈蓬等［7］對鋁土礦多層頂板進行研究，表明最下層中部和端部剪應力集中區(qū)最先出現(xiàn)裂紋，中部裂紋由下向上擴展，最終形成3條主裂紋。陳慶港等［8］利用法拉索夫厚板理論，推導了頂板受拉和沖切破壞的臨界厚度。研究發(fā)現(xiàn)：在剪切應力主導作用下，頂板整體跨落，在剪切應力和拉應力共同作用下，頂板拱形冒落。張樹光等［9］用離散元分析了內(nèi)摩擦角對頂板穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著摩擦角增大，頂板變形減小，由滑動破壞向彎曲破壞過渡。

目前關于巖層厚度測定的研究主要集中在煤層厚度，并不適用于金屬礦。同時，針對地下鋁土礦的相關開采技術研究也甚少，尤其是對于緩傾斜層狀巖體中采場直接頂板穩(wěn)定性的研究［10-11］。本研究基于鋁土礦頂板巖層非均勻性特性，以貴州某鋁土礦為工程地質背景，優(yōu)選出直接頂板厚度測定方法，采用地質雷達探測法，對不同覆巖（鋁土巖及黏土巖）直接頂板厚度進行了測定，并進行工業(yè)試驗驗證，最終確定鋁土礦地下開采直接頂板厚度測定手段，為復雜地質條件下鋁土礦直接頂板厚度測量提供技術支持。

1 工程概況及礦巖物化性質

某鋁土礦礦區(qū)直接頂板主要覆巖為鋁土巖及黏土巖，部分為黃鐵礦化黏土巖。黏土巖及黃鐵礦化黏土巖呈淺灰至灰綠色，硬度為3～4。鋁土巖呈灰至深灰色，致密結構，硬度為4左右，層狀節(jié)理面發(fā)育。主要巖層物理力學性質見表1。由表1可知，鋁土巖密度為2.460 g/cm3，單軸抗壓強度為0.213 MPa，內(nèi)摩擦角為36.974°，泊松比為0.35；黏土巖密度為2.398 g/cm3，單軸抗壓強度為0.193 MPa，內(nèi)摩擦角為38.732°，泊松比為0.35。

主要巖性化學成分平均值見表2。由表2 可知，鋁土巖主要成分為Al2O3，SiO2，CaO 和Fe2O3，黏土巖主要成分為Al2O3，SiO2和CaO。

2 直接頂板厚度測定方法

2.1 聲波探測反射法

聲波探測反射法主要設備為聲波檢測儀，聲波檢測儀由儀器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分組成［12］。其工作流程如圖1所示。由圖1可知，被接收到的超聲波轉化為電信號后再經(jīng)超聲儀放大顯示在屏幕上，用超聲儀測量收到超聲信號的聲學參數(shù)。目前在介質探測中常用的聲學參數(shù)為聲速波速、振幅、頻率以及波形。

聲波探測反射法被廣泛應用于煤礦綜采工作面頂煤厚度探測、地下硐室圍巖松弛帶范圍測定、地下工程巖柱穩(wěn)定性測定、巖體的動力彈性參數(shù)測定及鉆井剖面檢測。

2.2 數(shù)字式全景鉆孔攝像法

國際上最具代表性的2 種數(shù)字鉆孔光學成像系統(tǒng)是數(shù)字光學前景鉆孔電視與數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)［13］。

數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)包括主機、探頭等精密傳感器件，線纜、分析軟件等。該系統(tǒng)是把一自帶光源的攝像探頭放入地下鉆孔中，可觀測到地層巖性、巖石結構的完整性和巖體裂縫帶內(nèi)巖層的裂縫發(fā)育寬度等數(shù)據(jù)，通過軟件分析系統(tǒng)及圖像處理系統(tǒng)將獲取的信號轉換成全景圖片。其工作原理如圖2 所示。由圖2 可知，首先經(jīng)過光學變換形成數(shù)字化全景圖像，建立原鉆孔與全景圖像的變換關系，然后通過該軟件，實現(xiàn)全景圖像到鉆孔巖心圖的同步顯示。在現(xiàn)場應用中，這種技術可以被用于識別、估計和測量地質特征，區(qū)分巖性，超前勘探等。

2.3 地質雷達探測法

基于地下物質介電常數(shù)的不同，地質雷達利用發(fā)射天線發(fā)射的高頻電磁脈沖波的反射來探測目標體。在地質雷達探測過程中，由放置在采場空區(qū)的發(fā)射天線將電信號轉換為高頻電磁波，并以寬頻帶短脈沖形式定向發(fā)送至頂板圍巖中，而不同介電常數(shù)的介質對高頻電磁波具有不同的波阻能力，因此當頂板中介質介電常數(shù)不同時，便會對高頻電磁波產(chǎn)生折射和反射。其地質雷達工作原理如圖3所示。

由圖3可知，雷達天線發(fā)射的電磁波在不同介質內(nèi)傳播時，發(fā)生的反射和能量衰減的速度不同，得到的雷達圖像的波形特征、頻率、振幅及相位不同。因此可通過分析雷達圖像來確定礦體直接頂板和間接頂板的交界面位置，從而判斷直接頂板厚度。

地質雷達是一種對國民經(jīng)濟發(fā)展有十分重要意義的探測手段，主要應用領域有礦山、軍事、交通、水利、市政及考古等。礦山工程主要是巖層厚度測定、巷道物探等。

2.4 方法優(yōu)選

根據(jù)對地質雷達探測、超聲波探測及數(shù)字式全景鉆孔攝像的技術研究分析，結合某鋁土礦的直接頂板賦存條件和特點，3 種頂板厚度測定技術方法優(yōu)缺點如表3 所示。由表3 可知，3 個方案各有優(yōu)缺點，采用地質雷達探測更能滿足本次直接頂板厚度測定技術要求，所以選擇地質雷達法。

3 工業(yè)試驗及結果分析

3.1 地質雷達設備選型

目前地質雷達技術比較成熟，國內(nèi)外產(chǎn)品豐富，根據(jù)國內(nèi)外地質雷達現(xiàn)狀對比調(diào)研報告的結果，最終篩選了青島電波研究所生產(chǎn)的LTD 地質雷達、美國地球物理探測設備公司生產(chǎn)的SIR 系列地質雷達及南非陸泰克公司生產(chǎn)的SSP 地質雷達作為3 種備選方案。LTD 地質雷達、SIR 地質雷達及SSP 地質雷達設備如圖4所示。

（1）LTD地質雷達（圖4（a））。LTD地質雷達是由青島電波研究所開發(fā)的系類產(chǎn)品，包含有LTD2600等產(chǎn)品。LTD 地質雷達主要由一體化主機、天線、實時采集軟件和事后處理軟件等相關配件組成。隧道超前預報檢測配置GC100MHz低頻屏蔽天線，可對掌子面前方15～30 m 的溶洞、斷層、富水等地質病害進行探查。100 MHz 天線搭配400 MHz 天線也可以做隧道仰拱檢測。

（2）GSSI 地質雷達（圖4（b））。美國GSSI 公司的產(chǎn)品遍布全球，目前超過7 500 多套，在中國1 000多套。美國GSSI 公司生產(chǎn)的地質雷達主要包含SIR-30E 及SIR-4000系列，這2種主機可以兼容的天線頻率范圍最寬天線種類包括：①低頻組合天線；②單體屏蔽天線；③井中天線；④喇叭空耦天線。

（3）SSP 地質雷達（圖4（c））。南非陸泰克集團是南非Reunert 有限公司的一部分，是專門從事電子行業(yè)和國防工業(yè)的集團公司。SSP 地質雷達頻率在350～1 700 MHz，在探測深度7 m 的情況下，其中心的頻率在350～500 MHz，探測精度大概為5 cm。

某鋁土礦礦區(qū)直接頂板主要為鋁土巖及黏土巖，部分為黃鐵礦化黏土巖，礦體的間接頂板為擺佐組的白云巖，由于鋁土礦存在著直接頂板穩(wěn)固性差、礦體厚度不穩(wěn)定的問題，造成了開采過程中頂板管理難度較大?，F(xiàn)有的采礦方法多采用護頂房柱法，留礦壁及打錨桿錨網(wǎng)來維護頂板穩(wěn)定，由于這種方法無法準確估計礦體厚度及直接頂板厚度，因此也無法準確留設護頂?shù)V的厚度，造成礦石的損失率增大。本研究分析了測量采場中頂板厚度的研究方法，探索鋁土礦頂板厚度快速探測方法，最終選擇了南非陸泰克公司生產(chǎn)的SSP 地質雷達來測量礦體直接頂板厚度。

3.2 工業(yè)試驗

相關技術人員同SSP 技術人員對某鋁土礦直接頂板厚度進行了2 次現(xiàn)場探測工業(yè)試驗，均采用SSP地質雷達進行掃描探測，然后分析掃描圖像，得出某鋁土礦采區(qū)直接頂板厚度數(shù)據(jù)。實際頂板厚度則采用地質鉆和鑿巖臺車對試驗地點的直接頂板厚度進行打鉆獲取。第一次現(xiàn)場工業(yè)試驗地點為礦區(qū)1 160 m 中段北部10#采場10-1 平巷和10-2 上山，共探測6 個孔。第二次現(xiàn)場工業(yè)試驗地點為南部，1#采場1-2 切割平巷，7#采場7-2 切割平巷，共計6 個孔；北部0#采場下部0-2 切割上山，0#采場上部0-1 切割平巷，N-1 采場上部N-1-1 切割平巷，共計12 個孔。其SSP 地質雷達現(xiàn)場測量及實際頂板打孔取樣如圖5 所示。SSP 地質雷達掃描圖像數(shù)據(jù)如圖6 所示。

3.3 工業(yè)試驗結果分析

SSP 直接頂板厚度測量數(shù)據(jù)與鑿巖打孔驗證數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，10#采場鉆孔測量的頂板厚度與SSP測量的頂板厚度差值在1～5 cm，說明地質雷達能較準確地測定出直接頂板黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限。而南部1#、7#和北部0#、N-1#采場直接頂板垂直厚度測定與鉆孔驗證厚度差值10～89 cm，且隨著垂直頂板厚度的增加，差值越來越大，說明直接頂板垂直厚度越大，SSP 測定的直接頂板黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限不清。為了清楚地了解兩者直接的差值所占比重，分別做出鉆孔實際厚度與SSP 測量厚度差值在鉆孔實際厚度中所占的比重以及兩者差值隨垂直厚度的分布規(guī)律，如圖7、圖8所示。

由圖7及圖8可知，前16組試驗測試中，SSP地質雷達測定的厚度與鉆孔驗證厚度誤差范圍在0.34 m內(nèi)，換算成百分百，誤差在18%以內(nèi)，說明SSP地質雷達可以較準確地測定出黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限，滿足鋁土礦直接頂板厚度測量精度高的要求。且研究發(fā)現(xiàn)SSP 地質雷達測定厚度到4 m 及以上時，SSP 測定的厚度與鉆孔驗證厚度兩者差0.9 m 左右，誤差達20%以上，這表明SSP 地質雷達不適合測定4 m 以上的直接頂板，這主要因為當直接頂板達4 m 以上時，礦體與直接頂板的介電常數(shù)極為相似，SSP 地質雷達無法探測礦體與黏土巖的界限。

綜上所述，根據(jù)19 組現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證可知，SSP 地質雷達可以較準確地測定鋁土礦直接頂板低于4 m 的厚度，故可作為礦區(qū)直接頂板厚度測量的技術手段。

4 結論

（1）結合地質雷達探測、超聲波探測及數(shù)字式全景鉆孔攝像3種測定方法優(yōu)缺點，最終選擇地質雷達探測作為某鋁土礦直接頂板厚度測定技術手段。

（2）根據(jù)礦區(qū)直接頂板巖層特性，最終采用SSP地質雷達來測量礦體直接頂板厚度。

（3）當直接頂板厚度低于4 m時，SSP地質雷達測定的厚度與鉆孔驗證厚度誤差在18%以內(nèi)，即SSP地質雷達可以較準確地測定鋁土礦直接頂板低于4 m厚度。

（4）SSP 地質雷達測定得出的數(shù)據(jù)能滿足礦區(qū)對頂板測定設備的試驗要求，故可作為礦區(qū)直接頂板厚度測量的技術手段。