電位法超前探測在富水地下礦山施工中的應(yīng)用

陶 磊 陳建宏 胡京濤

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院;2.中國鋁業(yè)公司長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

在地下礦山施工過程中常會出現(xiàn)突泥、突水、瓦斯突出等與地下水有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)原因可能是巖層的本身物理和巖體工程特性，也可能是采動活動改變地下圍巖的原始的力學(xué)平衡狀態(tài)，對工程帶來巨大的損失，據(jù)資料不完全統(tǒng)計(jì)［1-3］，在國內(nèi)的幾十年時間里，有近300多個礦井發(fā)生過淹井事故，死亡1 700多人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億。在這種形勢下，發(fā)展對地下水的探測及預(yù)報(bào)技術(shù)對礦山的開采施工作業(yè)有著十分巨大的前景和意義。

長期以來，地質(zhì)專家及相關(guān)領(lǐng)域研究人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和實(shí)際探測工程摸索，主要是針對地下安全生產(chǎn)施工中遭遇的各種地質(zhì)災(zāi)害問題，目的是解決生產(chǎn)施工中遇到的難題，為探測和預(yù)報(bào)地下水災(zāi)害做出突出貢獻(xiàn)。

直接鉆探法是在隧道施工期間采用超前鉆孔進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中最常用的方法，缺點(diǎn)是單個鉆孔只能給出沿鉆孔鉆進(jìn)方向的地質(zhì)變化情況，超前鉆探既費(fèi)時又費(fèi)錢，影響正常施工，當(dāng)?shù)叵滤畨狠^高時或有瓦斯體時，容易引起大的事故［4-6］。在如今信息化科技高速發(fā)展的條件下，超前探測預(yù)報(bào)技術(shù)系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面:一是探測方法綜合化，二是儀器安全輕便化，三是理論模擬三維化，四是資料處理可視化。陸兆康、李開興等［7］利用紅外儀、激電儀進(jìn)行超前探水預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)是礦山開掘斜井和平巷防水安全措施行之有效方法，是省工、省時、經(jīng)濟(jì)的一種探水技術(shù);趙國敏、王亞會、王進(jìn)等［8］利用地學(xué)層析技術(shù)和電磁波CT觀測，成功分析出了該地區(qū)暗河、破碎帶及溶洞的存在，為探測技術(shù)提供新的思路;劉敦文，古德生［9］在分析國內(nèi)外己有成果，將工程災(zāi)害隱患雷達(dá)探測與控制理論及技術(shù)，研制出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的探地雷達(dá)智能解釋系統(tǒng)，開發(fā)了與之配套的可視化自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件，并應(yīng)用到礦山采空區(qū)處理方案決策過程中，取得了良好的應(yīng)用效果;黃憶龍、卓越、南琛等［10］系統(tǒng)闡述了紅外線超前探水的原理，研究了充泥溶洞、富水溶洞及富水?dāng)鄬悠扑閹У腡－S曲線特征，為富水隧洞預(yù)測水害及其治理提供了保證;張平松、李永盛等［11］通過改進(jìn)瞬變電磁法測試布置方式、中心線方向豎直測試剖面，形成四斷面法超前測試，增強(qiáng)了對前方含水異常體的空間判斷能力，具有一定的可靠性，能為坑道掘進(jìn)安全生產(chǎn)提供有效指導(dǎo);韋萬川、陸兆康、李開興等［12］分析了瞬變電磁法及直流電法超前探測的優(yōu)點(diǎn)和不足，重點(diǎn)闡述了三維電法超前探測的原理和三維電阻率層析成像技術(shù)，認(rèn)為該技術(shù)具有很強(qiáng)實(shí)用性有效性和推廣應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論;羅金、劉春生［13］利用震電效應(yīng)，通過觀測放炮前后震電信號的強(qiáng)弱變化可以探測周圍含水地質(zhì)體。試驗(yàn)表明，震電法探測距離遠(yuǎn)，探測準(zhǔn)確性隨掘進(jìn)面推進(jìn)可循序驗(yàn)證，是一種可行的極具潛力的隧道含水體超前探測預(yù)報(bào)方法。

1 礦山施工現(xiàn)狀

貴州某大型鋁土地下礦山在施工過程中，1 140 m中段巷道布置在弱含水層(婁山關(guān))中，根據(jù)地質(zhì)資料顯示:礦區(qū)范圍內(nèi)有多條大斷層，含水層主要有3層(棲霞茅口、擺佐、婁山關(guān))且含水層之間聯(lián)系情況較為復(fù)雜，礦山最大涌水量28 000 m3/d，地下平均水位約在1 290 m。巖石主要由灰?guī)r、白云巖構(gòu)成，溶洞溶槽發(fā)育。為保障施工安全，避免突水、突泥及斷層給施工帶來人員、財(cái)產(chǎn)損失，掌子面迎頭超前探水工作是礦山施工掘進(jìn)中必不可少的環(huán)節(jié)之一。施工單位首先采用傳統(tǒng)工藝，采用鑿巖機(jī)或潛孔鉆進(jìn)行超前探水，在實(shí)際操作中遇到多方面的問題:①當(dāng)圍巖較為破碎時，鑿巖機(jī)易卡鉆，掃孔、成孔較難，且長度有限(3～6 m)。換用潛孔鉆機(jī)，成孔較為容易、但進(jìn)尺慢、設(shè)備準(zhǔn)備時間較長，均不能取得良好效果。②準(zhǔn)確度不夠，根據(jù)施工規(guī)范，探水鉆孔一般布置3～5個，布置數(shù)量增加會延長工期及提高造價(jià)，但此數(shù)量能探測的范圍較為有限，經(jīng)常出現(xiàn)探孔未能探出水而實(shí)際掘進(jìn)時遇水。③由于已位于地下水位150 m以下，水頭壓力較大，一旦出水且壓力較大時，無法及時封堵，給掌子面作業(yè)帶來較大困難，二次處理耽誤時間。

為解決這些實(shí)際困難，項(xiàng)目部決定采用物探手段進(jìn)行超前探測，并提出了幾點(diǎn)要求:①探測時間盡量控制在幾小時內(nèi)，越短越好。②探測儀器能夠適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境(淋水、斷面狹窄)。③探測距離不要求太長(12～15 m)，有合理保護(hù)巖柱長度即可;精確度不要求太高，但能準(zhǔn)確判斷是否存在異常情況，在取的結(jié)果后可結(jié)合探孔進(jìn)一步獲得工程地質(zhì)資料。④操作簡單，維護(hù)方便，探測結(jié)果可即時獲得，費(fèi)用合理。

2 電位法超前探測技術(shù)研究

在選擇物探手段時，考慮目前巷道內(nèi)淋水點(diǎn)較多，環(huán)境較為復(fù)雜(掌子面有照明、風(fēng)筒、電機(jī)等設(shè)施及支護(hù)設(shè)施)首先排除了紅外探測法和電磁法中磁場法，紅外探測法易受淋水干擾，磁場法易受金屬物品干擾。物探應(yīng)在電法及彈性波反射法中選擇，彈性波反射法優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、可獲得斷層、裂隙、溶洞的具體位置信息，但缺點(diǎn)是操作要求較高，結(jié)果需進(jìn)行二次分析。電位法的優(yōu)點(diǎn)是操作要求較低、結(jié)果直觀，缺點(diǎn)是精確度較低。根據(jù)項(xiàng)目部對物探手段要求，經(jīng)綜合各種探測方案比較，決定選用高密度電位法進(jìn)行超前探測。

由于最終選用的方案為電位法探測手段，探測設(shè)備選用北京華安奧特科技有限公司研制的HAR200隧道電法超前探測儀，如圖1。該儀器以視電阻率法原理，可進(jìn)行三極法超前探測、四極法、溫納及三極測深工作，工作原理如圖2所示。HA－R200隧道電法超前探測儀設(shè)備高度集成，內(nèi)置電源及分析軟件，配備智能電極，放電采用數(shù)字鎖相環(huán)測量技術(shù)，三防設(shè)計(jì)，操作簡便。

圖1 電位法超前探測儀

圖2 電位法超前探測儀工作原理

3 超前探測試驗(yàn)與結(jié)果驗(yàn)證

3.1 工作面選擇

超前探測工作面選擇在礦山1 140 m中段北向某一工作面，見圖3。已掘巷道內(nèi)有淋水、巖石較為破碎但質(zhì)地堅(jiān)硬，工作面寬度4.5 m，高度約為3.2 m，噴射混凝土支護(hù)。

圖3 超前探頭布置

3.2 探測方法及人員安排

探測手段采用三級法，電極間距4 m，起始位置據(jù)掌子面4 m，探測范圍為前方32 m。操作人員3人:儀器操作及記錄1人、電極鋪設(shè)及檢查1人、無窮遠(yuǎn)線架設(shè)1人。

3.3 探測步驟

(1)鋪設(shè)電極及無窮遠(yuǎn)線，根據(jù)間距沿巷道掘進(jìn)方向布置電極，要求電極固定在巖石中，深度不小于3 cm，電極與導(dǎo)線連接處不得浸泡在水中。無窮遠(yuǎn)線布置不小于100 m。

(2)電極檢測、通過儀器自帶軟件分析，對問題點(diǎn)進(jìn)行故障排除，主要是連接及固定方面的問題。

(3)放點(diǎn)探測，得出結(jié)果。該工作面電阻率云圖如圖4、圖5，整個探測過程耗時約40 min，方便快捷。

圖4 視電阻率圖

3.4 結(jié)果分析

圖5 探測中段電阻率分布

從圖4、圖5中可直觀判斷出，在掌子面迎頭前方有2處相對低阻區(qū)域:9～13 m處、18～22 m處，此區(qū)域范圍內(nèi)可能出現(xiàn)導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造(斷層、裂隙)。

3.5 結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)實(shí)際掘進(jìn)，9～13 m處確實(shí)有一處斜切巷道的裂隙，在12 m位置有一處集中出水點(diǎn)，與探測結(jié)果相符合，而18～22 m處無構(gòu)造裂隙及斷層，巖石稍破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。

4 結(jié)論

(1)高密度電位法在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)方面，具有操作便利、耗時少、費(fèi)用低、結(jié)果直觀、工作環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在井巷掘進(jìn)施工時具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。雖然其精度不高，無法獲得溶洞及裂隙的詳細(xì)位置，但結(jié)合鉆探方法可進(jìn)行有效彌補(bǔ)。

(2)高密度電位法根據(jù)其原理，其原始數(shù)據(jù)云圖呈三角錐型，隨著探測深度的增加范圍愈加廣泛，但精度也隨之降低，經(jīng)后續(xù)多次驗(yàn)證，該儀器在20 m范圍內(nèi)結(jié)果基本準(zhǔn)確。

(3)高密度電位法在金屬地下礦山應(yīng)用時，除可做超前預(yù)報(bào)外，其本身作為物探手段還可以對礦塊的具體分布進(jìn)行探測，但需經(jīng)過一定數(shù)據(jù)積累和分析，對礦體的電阻率有一定認(rèn)識后方可判斷。

(4)各種物探手法均有各自的適用環(huán)境要求及優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)工程實(shí)際情況合理選用。高密度電位法結(jié)合普通鉆探方法可高效解決地下富水礦山中的地質(zhì)預(yù)報(bào)問題，滿足井巷施工“有疑必探、先探后掘”的要求。

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