井下鐵礦巷道掘進(jìn)工作面超前預(yù)警探測(cè)

劉殿軍 賈三石 王恩德 宮國(guó)慧 叢桂新 陳繼宏

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

井下鐵礦巷道掘進(jìn)工作面超前預(yù)警探測(cè)

劉殿軍1賈三石2王恩德2宮國(guó)慧1叢桂新3陳繼宏1

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司井下鐵礦，遼寧 遼陽(yáng) 111000；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.中鋼集團(tuán)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(guò)程中掌子面前方的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，尤其存在采空區(qū)或含水采空區(qū)時(shí)，安全危害極大。為保障礦山開(kāi)拓巷道施工安全高效，進(jìn)行相關(guān)的超前預(yù)警探測(cè)研究顯得非常重要。為此，利用最新型的瞬變電磁法測(cè)量設(shè)備，使用自制多匝-超多匝重疊小回線測(cè)量裝置，采用扇形布點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣方式，運(yùn)用多種數(shù)據(jù)處理解譯方法，在井下鐵礦-10 m中段掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)金屬礦山掘進(jìn)巷道掌子面的超前預(yù)警探測(cè)，為金屬礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

井下瞬變電磁法 鐵礦床 超前預(yù)警探測(cè) 重疊小回線 巷道掌子面

人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展離不開(kāi)對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)與利用，而隨著地表礦產(chǎn)資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，易采礦產(chǎn)資源越來(lái)越少，采礦活動(dòng)逐步由地表、近地表的露天開(kāi)采向深井發(fā)展。井下開(kāi)采不可避免的遇到巷道掘進(jìn)工作，掘進(jìn)中斷層、涌水、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害影響作業(yè)安全，進(jìn)而提高生產(chǎn)成本，特別是掘進(jìn)過(guò)程中遇到一定歷史時(shí)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(jìn)巷道掌子面前方地質(zhì)情況，預(yù)測(cè)斷裂充水帶或采空區(qū)的存在，實(shí)時(shí)調(diào)整巷道掘進(jìn)工藝，并采取對(duì)應(yīng)的安全預(yù)防措施，不但可以保障生產(chǎn)安全，而且還會(huì)大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)和掘進(jìn)成本，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)因素的超前預(yù)警探測(cè)[1]。

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

1 井下鐵礦掘進(jìn)巷道超前預(yù)警探測(cè)基本原理

瞬變電磁法，通常采用的是半空間域探測(cè)的地面時(shí)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(chǎng)，在一次脈沖電磁場(chǎng)間歇期間使用線圈或接地電極等裝置觀測(cè)二次渦流場(chǎng)?；驹硎请姶鸥袘?yīng)定律，其衰減過(guò)程一般分早、中和晚期等3個(gè)場(chǎng)，早期場(chǎng)主要相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快而趨赴深度小，晚期場(chǎng)則相當(dāng)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(guò)測(cè)量斷電后不同時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，以得到不同探測(cè)深度的地電特征，來(lái)反演得到不同深度的地質(zhì)分布情況，從而達(dá)到解決工程地質(zhì)問(wèn)題的目的。

相比于地面瞬變電磁法，井下瞬變電磁法的探測(cè)基本原理與其一致，即開(kāi)始地球物理測(cè)量時(shí)架設(shè)線圈使其法線方向?qū)?zhǔn)井下鐵礦掘進(jìn)巷道中所要探測(cè)的掌子面前方，后在發(fā)射裝置中通以階躍電流并瞬間關(guān)斷后，任一時(shí)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(chǎng)可以等效為一個(gè)水平環(huán)狀線電流的磁場(chǎng)，被地球物理學(xué)家形象的稱之為“煙圈效應(yīng)”[6-7]。從上述效應(yīng)可知，井下瞬變電磁法早期瞬變電磁場(chǎng)反映的是淺部介質(zhì)的地電特性分布，其晚期電磁場(chǎng)反映的是深部介質(zhì)的地電特性分布。地球物理探測(cè)過(guò)程中，如果按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V(t)，就可以得到二次場(chǎng)隨時(shí)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(cè)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(chǎng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間的衰減變化規(guī)律而得到，這樣就達(dá)到掘進(jìn)巷道掌子面超前探測(cè)目的。

由于井下鐵礦瞬變電磁法應(yīng)用過(guò)程中，地球物理測(cè)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(yīng)”(如圖1)，一時(shí)間引起探測(cè)方向的難以確定的問(wèn)題。但大量的井下探測(cè)理論研究和超前預(yù)警應(yīng)用研究表明井下瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果主要反映主探測(cè)方向前方一定距離內(nèi)的介質(zhì)電性變化情況[8]。

關(guān)于井下瞬變電磁法的視電阻率計(jì)算，主要采用井下瞬變電磁法全空間域視電阻率計(jì)算公式[9-11]：

(SN)2/3×(V/I)-2/3t-5/3,

(1)

式中，C為全空間響應(yīng)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(chǎng)衰減時(shí)間；V/I為歸一化電位值。

圖1 井下瞬變電磁法“煙圈效應(yīng)”

2 井下鐵礦掘進(jìn)巷道超前預(yù)警探測(cè)技術(shù)方法

由于井下鐵礦巷道掘進(jìn)工作面探測(cè)空間狹小，為滿足探測(cè)精度和距離的需要，井下瞬變電磁法多采用邊長(zhǎng)1～2 m的多匝-超多匝重疊小回線測(cè)量裝置(見(jiàn)圖2)[12]，探測(cè)中通過(guò)不斷增加探測(cè)發(fā)射裝置和接受裝置的線圈匝數(shù)來(lái)不斷增大發(fā)射磁矩和有效接收面積來(lái)不斷提高信噪比，進(jìn)而滿足井下鐵礦掘進(jìn)巷道掌子面前方不同探測(cè)距離的要求。具體實(shí)施過(guò)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(diǎn)測(cè)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(cè)裝置

在井下瞬變電磁法探測(cè)過(guò)程中，由于鐵礦體為低阻，一定程度上影響探測(cè)距離，這時(shí)可適當(dāng)通過(guò)不斷增大發(fā)射線圈電流和接收線圈采樣時(shí)間來(lái)探測(cè)掘進(jìn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的瞬變電磁法測(cè)量數(shù)據(jù)，第一步進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)預(yù)處理工作(剔除數(shù)據(jù)異常點(diǎn)、電動(dòng)勢(shì)曲線剪切和數(shù)據(jù)濾波增強(qiáng)處理)，消除各類因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)畸變；第二步，根據(jù)探測(cè)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(duì)測(cè)量處理數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率反演計(jì)算，并進(jìn)行相關(guān)的時(shí)間-深度轉(zhuǎn)換，并繪制帶有探測(cè)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(cè)區(qū)已有地質(zhì)資料和地球物理探測(cè)資料及相關(guān)的開(kāi)采情況，對(duì)地電異常解譯，圈出異常區(qū)域供鉆探驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)期采富棄貧遺留的空?qǐng)鲂屠吓f采空區(qū)，且大多已充水，同時(shí)也存在礦產(chǎn)資源整合開(kāi)發(fā)以前無(wú)序開(kāi)采、濫采濫挖形成的成串、多層分布的面積型空區(qū)，給運(yùn)輸巷道的開(kāi)拓和井下鐵礦開(kāi)采帶來(lái)極大的安全危害。

4 超前預(yù)警探測(cè)實(shí)例

4.1 井下鐵礦超前預(yù)警探測(cè)裝置及參數(shù)設(shè)置

井下鐵礦掘進(jìn)巷道掌子面探測(cè)設(shè)備主要采用TerraTEM，該地球物理探測(cè)設(shè)備可設(shè)置更多的時(shí)間門，且具有很高的采樣分辨率，特別是在配置增強(qiáng)型快速關(guān)斷時(shí)間控制裝置后，測(cè)量關(guān)斷時(shí)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(cè)量[14-15]。

根據(jù)井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)和空間條件限制，為最大限度的保證探測(cè)距離和精度，測(cè)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(cè)量發(fā)射裝置電流5～7 A，發(fā)射關(guān)斷時(shí)間0.10～0.40 ms，512次測(cè)量疊加，一定采樣時(shí)間段內(nèi)，單個(gè)測(cè)量點(diǎn)采樣密度控制在90～100窗口實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率采樣。探測(cè)流程為沿掘進(jìn)巷道掌子面左側(cè)貼壁開(kāi)始測(cè)量，逐步向掌子面貼壁測(cè)量，后轉(zhuǎn)向掌子面右側(cè)貼壁測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)(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(jìn)掌子面測(cè)量點(diǎn)布置

4.2 掘進(jìn)巷道掌子面探測(cè)結(jié)果及分析研究

本次應(yīng)用研究共在井下鐵礦不同開(kāi)拓巷道布設(shè)了6條扇形測(cè)量剖面，每條剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)10～16個(gè)不等，均控制了開(kāi)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(cè)量成果達(dá)到了預(yù)期研究目的，為鐵礦山井下巷道開(kāi)拓提供了安全技術(shù)保障。下面以井下鐵礦巷道1005穿的典型超前預(yù)警探測(cè)成果為例進(jìn)行分析研究(見(jiàn)圖4)。

圖4 掘進(jìn)巷道掌子面超前預(yù)警探測(cè)結(jié)果

1005穿開(kāi)拓巷道為井下-10 m中段，在巷道開(kāi)拓過(guò)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(jìn)行了超前預(yù)警探測(cè)，其中第1～4點(diǎn)為掌子面左壁，第5～11點(diǎn)為掌子面前方，第12～14點(diǎn)為掌子面右壁。探測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果，礦山進(jìn)行了鉆進(jìn)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(jiàn)到鐵礦采空區(qū)，其內(nèi)未含水。

由上述探測(cè)成果可知，鐵礦山井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)章子面前方及兩側(cè)進(jìn)行超前預(yù)警探測(cè)是可行的，且具有方便、快捷和高效的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的電法勘探，超前預(yù)警探測(cè)中測(cè)量數(shù)據(jù)——視電阻率大小的計(jì)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(jì)算視電阻率大小還與探測(cè)異常體的真實(shí)電阻率存在較大差異，且關(guān)斷時(shí)間的影響而存在一定的探測(cè)盲區(qū)(本次0～5 m)，這都需要結(jié)合已有地質(zhì)資料進(jìn)行細(xì)致分析和解譯。

5 結(jié) 論

(1)超前預(yù)警探測(cè)成果表明，井下鐵礦掘進(jìn)巷道掌子面超前探測(cè)不受目標(biāo)體的空間限制，全空間域內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦山井下掘進(jìn)巷道掌子面前方的超前預(yù)警探測(cè)，圈出潛在危險(xiǎn)區(qū)供驗(yàn)證處理。

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

[1] 羅利銳,劉志剛,閆怡沖.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的提出及其發(fā)展方向[J].巖土力學(xué),2011(S1):614-618. Luo Lirui,Liu Zhigang,Yan Yichong.The concept and development of geological prediction system[J].Rock and Soil Mechanics,2011(S1):614-618.

[2] 張慶松,李術(shù)才,孫克國(guó),等.公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(4):766-771. Zhang Qingsong,Li Shucai,Sun Keguo,et al.Analysis and present state of advanced geological forecast technology of highway tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2008,4(4):766-771.

[3] 石學(xué)鋒,韓德品.直流電阻率法在煤礦巷道超前探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012,43(5):104-107. Shi Xuefeng,Han Depin.The application of DC resistivity method in coal mine tunnel advanced exploration[J].Safety in Coal Mines,2012,43(5):104-107.

[4] 李 好,胡運(yùn)兵,吳燕清.應(yīng)用礦井瞬變電磁法超前探測(cè)煤礦井下含水體[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012,39(5):49-52. Li Hao,Hu Yunbing,Wu Yanqing.Application of mine transient electromagnetic method for advance detection of underground water bearing body[J].Mining Safety & Environmental Protection,2012,39(5)：49-52.

[5] 張平松,吳健生.中國(guó)隧道及井巷地震法超前探測(cè)技術(shù)研究分析[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(10):1033-1038. Zhang Pingsong,Wu Jiansheng.Research and analysis of forward prediction technology using seismic reflection wave in tunnel and laneway in China[J].Advances in Earth Science,2006,21(10):1033-1038.

[6] Lee T.Estimation of depth to conductors by the use of electromagnetic transients[J].Geophysics,1977,65:61-75.

[7] Raiche A P,Gallagher R G.Apparent resistivity and diffusion velocity[J].Journal of Applied Geophysics,2000,44:1628-1633.

[8] 劉志新.礦井瞬變電磁場(chǎng)分布規(guī)律與應(yīng)用研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2007. Liu Zhixin.Study on the Distribution and Application of Mine Transient Electromagnetic Field[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2007.

[9] Wolfgram P,Karlik G.Conductivity-depth transform of GeoTem data[J].Exploration Geo-physics,1995,26:179-185.

[10] Fullagar P K.Generation of conductivity-depth pseudo-section from coincident and in-loop TEM data[J].Exploration Geophysics,1995,26:43-55.

[11] Yu Jingcun,Liu Zhixin.Research on full space transient electromagnetic technique for detecting aqueous structures in coal mine[J].Journal of China University of Mining & Technology,2007,17(1):12-16.

[12] 賈三石,邵安林,王海龍,等.基于TEM的井下鐵礦采空區(qū)探測(cè)評(píng)價(jià)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,31(9):1340-1343. Jia Sanshi,Shao Anlin,Wang Hailong,et al.Detection and evaluation of underground iron ore goaf based on TEM[J].Journal of Northeastern University：Natural Science,2011,31(9):1340-1343.

[13] 王可南,姚培慧.中國(guó)鐵礦床綜論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992. Wang Ke'nan,Yao Peihui.Review of Chinese Iron Deposits[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1992.

[14] 李水平,張同中,景金明.TerraTEM瞬變電磁系統(tǒng)在隱伏鐵礦體上的勘查應(yīng)用[J].物探與化探,2009,33(4)：424-426. Li Shuiping,Zhang Tongzhong,Jing Jinming.The exploration efficiency of the TerraTEM electromagnetic system in the conceal iron deposit[J].Geophysical & Geochemical Exploration,2009,33(4):424-426.

[15] 梁 爽.瞬變電磁法在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2012,40(3):70-74. Liang Shuang.The application of TEM in detecting water hazards in coal mines[J].Coal Geology & Exploration,2012,40(3):70-74.

(責(zé)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(jí)工程師。

P319，X936

A

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