基于TEM的鐵礦灰巖富水區探放水綜合治理研究

孫玉學 張慶松 王鳳剛 劉衍凱 李 壯 周 政

（1.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南250061；2.濟南力穩巖土工程有限公司，山東濟南250061）

近年來，由富水區引起的礦井突水，甚至是礦井垮塌等災害時有發生。富水區一般水壓大、范圍廣，若處理不當極易發生突水災害。礦山突水災害具有時間短、水量大、破壞性強的特點［1］，一旦發生很難控制，對礦井安全生產帶來了極大威脅。因此，安全高效的探放水技術對于礦山富水區治理顯得尤為重要［2］。

目前，針對富水區的探放水技術主要分為鉆探技術和物探技術兩類。鉆探法主要是根據已有地質資料和巷道掘進時所揭露的地質情況，利用傳統井下鉆探設備和工藝，采用定向鉆探技術對富水區進行探水和放水［3-6］。但傳統的定向鉆探技術因其不能實時糾偏、鉆孔深度小、鉆孔效率低，制約著探放水技術的發展［7-9］。物探法主要有瞬變電磁法、高分辨電阻率法、直流電法、音頻電穿透法、瑞利波法、鉆孔雷達法等［10］。其中，瞬變電磁法具有對低阻異常體反應靈敏、方向性強、體積效應小、工作效率高和成本低等優點［11-16］，在富水區探測中應用廣泛。但也因其對低阻異常體反應靈敏，外界低阻體對其干擾強烈，使得瞬變電磁法多用于如煤礦等外界低阻體干擾小的富水區探測，并且大多在巷道中進行，以減小金屬設備等外界低阻異常體的干擾［17-21］。鐵礦內的礦體和水體本身都為低阻體，常規瞬變電磁法對兩者區分困難，因此鮮有使用瞬變電磁法針對鐵礦富水區進行探放水實踐。

本研究采用大功率瞬變電磁法對某鐵礦灰巖富水區進行探測，根據瞬變電磁法探測結果，與現有地質資料和實際鉆探數據揭露的地質情況相互印證、補充，進行探放水方案設計，并通過連通性試驗，驗證探放水方案的合理性，優化設計方案，提高探放水治理的可控性，最終提出了一套針對鐵礦富水區的以大功率瞬變電磁法與地質資料和實際鉆探情況相結合的綜合探放水技術。

1 工程概況

某鐵礦區由東（II號）、西（I號）兩條礦體及少量零星礦體組成，地表無河流通過，無匯水體，礦體埋深為-200～-430 m，生產中段水平為-200～-360 m。礦區為典型的巖漿巖侵蝕形成的矽卡巖型礦床，主要賦水與導水巖層為大理巖，主要導水通道為構造應力作用下形成的斷裂、裂隙與破碎帶。區內閃長巖與大理巖相互交錯，在構造應力作用下，閃長巖與大理巖交接帶處形成了具有一定空間展布范圍的破碎帶與蝕變帶。破碎帶自身即為導水的主要通道，并為大理巖的巖溶發育提供了良好條件，致使在該交接帶內形成了由大理巖強巖溶帶、閃長巖破碎帶、蝕變破碎帶三者共同組成的富水區和水力導通帶，水頭壓力最高達3.2 MPa。根據前期勘探數據，礦區鉆孔的單位涌水量平均為5 L/（s·m），最大達23.81 L/（s·m），最小為0.068 L/（s·m），滲透系數平均為20 m/d，最大達38.17 m/d，最小0.08 m/d。礦區奧陶系下統白云質灰巖的巖溶裂隙也較發育，富水性強，導水性好，鉆孔的單位涌水量為1.6～2.2 L/（s·m），滲透系數為3.39～9.69 m/d。奧陶系中下統灰巖在區域的出露面積大，地下水補給充沛，加之本身巖溶裂隙發育，因而其中蘊藏了大量的地下水。

由于奧陶系中統灰巖（變質成大理巖）是礦層的直接頂板或底板，在富水區積水的長期作用下，極易發生突水災害，對礦山安全開采形成了很大威脅。本研究運用大功率瞬變電磁法探測富水區域，將工程地質資料和實際鉆探結果與瞬變電磁法探測結果進行驗證、補充，確定探水治理方案，并對不同富水區域進行連通性試驗，驗證探放水方案的合理性，提高探放水治理時的可控性，對處于導水通道并且存在安全隱患的區域及時治理，保證礦山安全生產。

2 瞬變電磁法探測

根據已有地質資料和前期施工情況，本研究瞬變電磁探測的目標深度約600 m，根據傳統的瞬變電磁勘探流程，需要在地面布設600 m×600 m的發送回線，但由于工區地表建筑物的影響，實際布設范圍無法達到600 m×600 m。根據現場實際踏勘資料，在現場布置邊長為300～400 m的發射回線框，通過改進勘探目標參數實現600 m×600 m左右富水區域的探測。

2.1 勘探目標參數正演計算

瞬變電磁法主要利用電磁波進行勘探，地質體的導電性質決定了探測的精度，在鐵礦中礦體和水體同屬于低阻導體，在使用瞬變電磁法探測時，信號雖然強烈，但由于周圍存在巖石等高阻導體，導致礦體和水體電阻率遠遠小于巖石電阻率，造成瞬變電磁法對礦體和水體區分不明顯，使得在探測富水區域時會出現因礦體的強烈干擾出現對富水區的誤探、錯探問題。對此，本研究提出了一種可區分礦體和水體的瞬變電磁收發射模型。該模型基于層狀大地模型進行瞬變電磁測深的正演計算確定合適的工作裝置，如圖1所示。正演計算中，采用層狀大地模型進行瞬變電磁測深，分別考慮了礦體、水體對探測結果的影響，達到區分礦體與水體的目的。

根據礦區的基本地質資料和以往的鉆探數據，抽象概化了表1所示的5組正演模型。

模型分為兩類，模型1、模型2和模型3均為不包含礦體的模型，主要考察埋深600 m左右含水層的電性情況以及含水層厚度對探測結果的影響。模型4和模型5采用了前述3個模型中異常相對明顯的2組，然后在發射線框一角處包含礦體，主要考察礦體的存在對瞬變電磁探測的影響。

礦區礦體屬于矽卡巖伴生的鐵礦，矽卡巖的電阻率一般非常高，屬于高阻導體；礦體和水體同屬于低阻導體，但兩者電阻率有差別。由于矽卡巖的存在使得礦體和水體的電阻率遠遠小于矽卡巖電阻率，導致瞬變電磁探測結果對礦體和水體區分不明顯。因而對于礦體區域的建模采用等效參數法，將電阻率非常低的高品位礦體與電阻率非常高的矽卡巖進行等效，對礦體區域統一采用50 Ω·m的電性參數；普通自來水的電阻一般在50 Ω·m左右，但本區域的水質較好，含礦物質豐富，是某礦泉水的采水區域之一，礦化度高，游離離子豐富，因而水體的建模參數分別采用10 Ω·m和20 Ω·m。經過對上述模型統一計算后，如圖2所示，模型1、2、4、5中每層電阻率變化不大，不同層之間電阻率過渡區小，不同含水層分界明顯，能夠非常明顯地反映出不同電阻率的水體以及含水層厚度；模型3電阻率整體上分布較均勻，不同層之間電阻率過渡區大，能夠大致反映出不同電阻率的水體，但含水層厚度區分不明顯。因此對于給定探測深度的目標，利用模型4和5的電性參數，采用300 m的方形回線框能夠探測到，并且在增大電流的情況下，得到的信號強度和信噪比也能夠滿足要求。

2.2 瞬變電磁法現場探測

根據前期現場實地考察結果、礦區地質資料以及地面參考物位置，共設計布置2個大回線發射框，框內布置接收點陣列，按照8 m×8 m的網格進行設計，共設計了測線30條，每條測線布置測點30個，每個發射框內共布置了900個觀測點。實際施工時可根據現場實際情況調整觀測點位置并通過GPS定位記錄點位坐標。

本研究采用手持亞米級GPS Trimble GeoExplorer 2005進行探測。將設計的所有測點坐標傳輸到手持GPS Trimble GeoExplorer 2005中。放樣過程中所有物理點平面位置放樣誤差一般不大于1 m，對于復雜地形或建筑物造成的測點偏移會在GPS中記錄下實際坐標點并在實際材料圖中繪出。

在確定了物探測點的基礎上進行線框敷設，使用GPS結合地形圖確定出發射回線的4個角點，敷設發射線框，其物探測點的確定及線框敷設精度滿足工程物探測量要求。測點高程以各測線的方式給出。針對不同的發送頻率、發送電流、疊加次數等情況下的數據進行計算觀測，并根據試驗結果選定工作參數。

根據探測目標深度及地表條件，在地面布置了350 m×350 m的方形發射回線，發射電流為20 A，采用等效接收面積為10 000 m2的低頻磁探頭進行信號采集，根據前期設計，共布置了2個發射框進行探測。在每個發射框內分別布置了測線30條，測線間距5 m，每條測線設計測點30個，測點間距5 m，共設計了900個測點。由于實際地表存在部分無法到達的測點，野外實際施工過程中，北側測區實際完成測點670個，南側測區實際完成測點820個。

2.3 探測結果分析

通過對探測結果數據的處理與分析，得到了探測區域的三維電性分布情況，經過對目標深度的切片顯示得到了不同深度的電性分布情況，結合瞬變電磁收發射模型的分析，在激化極化反應劇烈的區域存在不同程度的低電阻率異常，可由此確定水體范圍。

水體與礦體相對于圍巖的電阻率低，因而水體與礦體表現出類似的電性特征，通過對上述瞬變電磁收發射模型的分析，對探測范圍內礦體統一采用50 Ω·m電性參數，對水體統一采用10 Ω·m和20 Ω·m電性參數。根據探測結果切片顯示，處于50 Ω·m電性參數的區域屬于礦體可能存在的區域，電性參數為10～20 Ω·m的區域極有可能是水體存在區域。在目標深度上標識出了可能存在水體的范圍，即在探測區域下部-500～-600 m水平，兩個測區均存在低電阻率異常，其具體位置坐標可以通過經緯度網格確定，推斷為含水體，并圈定了富水區位置，如圖3所示。

根據瞬變電磁法勘探結果，在探測區域下部-500～-600 m水平，南北兩個測區均存在低電阻率異常，推測為富水區的可能性極大。由于瞬變電磁法探測后的目標深度已知，結合礦區不同水平面結構物分布圖，可將富水區投影至已有結構物平面，便于后期探放水方案設計。

從瞬變電磁法確定的富水區與礦區已有結構物分析對比可知，在-200 m水平的原1#注漿硐室、老鉆孔71-12附近，深度為-550～-570 m區域瞬變電磁信號異常強烈，判斷為富水區；-240 m水平的ZSK1硐室和ZSK2硐室附近區域，深度為-550～-580 m區域瞬變電磁信號異常強烈，判斷為富水區。此外，由于某些區域受到地表場地限制，瞬變電磁法無法探測到，根據地質資料和實際鉆探數據判斷原8#鉆探硐室附近也極有可能為富水區（圖4）。

3 探放水治理工程

3.1 探放水方案設計

根據礦區地質資料、前期注漿堵水工程各鉆孔揭露涌水情況及巖芯編錄結果，并結合瞬變電磁法探測結果，確定在-200、-240、-360 m水平開展探放水工作，共施工了5個鉆孔。探放水孔優先選擇-240 m水平，如果放水量不足，再考慮-200 m水平。當-240 m、-200 m兩個水平涌水量都不能滿足設計要求時，選擇在-240 m以下水平進行施工。在探放水孔安裝高壓大流量涌水鉆孔安全系統［22］，加強探放水施工時的可控性，防止鉆孔內水壓過大或噴出高壓水，保證安全施工。探放水完成后，必須將全孔進行注漿封堵，保障探放水孔以下采礦生產的安全進行。

（1）-200 m水平探放水孔設計。-200 m水平探放水孔由兩部分組成，包括原1#注漿硐室、老鉆孔71-12附近探放水孔（圖4（a））。原1#注漿硐室區域內奧陶系灰巖含水層（O1灰巖）裂隙發育，含水豐富。根據前期鉆孔數據可知，+4-1孔的終孔深度為-487.9 m，+4-2孔的終孔深度為-398.7 m，兩孔都處于O1灰巖內，并且鉆孔的涌水量都不低于5 000 m3/d。瞬變電磁法探測結果顯示在+4-1孔和+4-2孔周邊范圍深度為-550～-570 m區域信號異常強烈，判斷為富水區，故在區域內布置一個探放水孔。根據地質資料分析，老鉆孔71-12附近區域-580 m以下全部為奧陶系灰巖含水層（O1灰巖），含水豐富，已揭露的老鉆孔71-12的終孔深度為-599.1 m，且最初涌水量不低于2 000 m3/d，老鉆孔71-12孔在-222.4～-222.7 m深度為蝕變閃長巖，分析可能是該段蝕變閃長巖造成鉆孔堵塞，使得揭露的涌水量前后突變很大。瞬變電磁法探測發現該區域內信號異常強烈，根據信號反應的情況判斷為富水區，故在附近區域布置一個探放水孔。

（2）-240 m水平探放水孔設計。-240 m水平共設計ZSK1硐室和ZSK2硐室兩個探放水硐室，如圖4（b）所示。根據前期實際鉆探數據，距離ZSK1硐室最近的老鉆孔CK14、72-19終孔深度分別為-208 m和-250 m左右，不處于奧陶系灰巖含水層（O1灰巖）內，不能揭露該處的深部地質情況。但瞬變電磁法探測該范圍-570 m區域內信號異常強烈，判斷此處為富水區，因此在此處布置一個探放水孔。距離ZSK2探放水硐室最近的老鉆孔CK7、CK13終孔深度分別為-230 m和-220 m，也沒有進入奧陶系灰巖含水層（O1灰巖）內，不能揭露區域內的深部地質情況。根據瞬變電磁法探測顯示，該區域在-550～-580 m深度范圍內信號異常強烈，判斷為富水區，在此處布置一個探放水孔。

（3）-360 m水平探放水孔設計。該處探放水硐室為原為8#鉆探注漿硐室，探放水鉆孔終孔位置在大帷幕外深部奧陶系灰巖含水層（O1灰巖）內。此區域由于受地面建筑影響不能進行瞬變電磁法探測，但根據現有地質資料分析，此處為深部奧陶系灰巖含水層的富水帶。故在區域內布置一個探放水孔，此鉆孔作為備用應急供水孔，并通過連接管路經新斜井引水到-240 m水平疏放水，如圖4（c）所示。

3.2 探放水孔連通性試驗

根據礦區地質資料、實際鉆探數據和瞬變電磁法探測結果確定富水區和探放水方案后，可對不同富水區進行探放水治理，但不同富水區之間的水力聯系會影響探放水治理的可控性。探放水孔之間因不同區域之間的水力聯系會相互影響，可能造成探放水方案設計不合理，同時不同富水區之間以及探放水孔周圍的導水通道也會對周邊生產區域的安全生產帶來隱患。為了探明不同富水區之間的水力聯系，驗證設計方案的合理性和有效性，精準地控制探放水施工，同時保證生產區域的安全生產，進行了探放水的連通性試驗。

此次試驗以高錳酸鉀溶液作為示蹤劑，向探放水孔中反向高壓壓入一定濃度的高錳酸鉀溶液，并維持一段時間，在各監測點每隔15 min取樣一次，確保第一時間測得高錳酸鉀溶液的擴散情況，據此判斷不同富水區、鉆孔和生產區域之間的連通性，驗證探放水方案的合理性，以便對探放水孔與周邊生產區域之間存在的導水通道及時進行封堵處治，保障礦山安全生產。

在試驗結束后，采用光譜分析法對采集的樣本進行了高錳酸鉀濃度測定。首先測定標準高錳酸鉀溶液濃度與光譜曲線，如圖5所示；然后對采集的樣本進行光譜掃描分析，將樣本光譜數據與標準溶液光譜曲線進行對照，確定樣本溶液中高錳酸鉀溶液的濃度；最后整理后得到監測點高錳酸鉀溶液濃度隨時間的變化曲線如圖6所示。

經過連通性試驗驗證，-240 m水平探放水孔ZSK1-1和-200 m水平探放水孔ZSK1-1、ZSK1-2在試驗過程中和試驗后，監測點均未檢測到高錳酸鉀溶液涌出，說明這3個孔與其它區域無連通；但-240 m水平探放水孔ZSK2-1孔沿巷道向箕斗斜井方向左側的暗溝內，有高錳酸鉀溶液涌出，其濃度隨時間的變化如圖6所示。此孔在連通試驗時，終止壓力為5.5 MPa，并持續了75 min，在持續高壓狀態下，薄弱區域被壓開（即通向暗溝的薄弱區、裂隙），導致暗溝內的涌水量上升顯著，為了保證礦房安全性，及時對暗溝右側進行了封堵，防止涌水進入右側礦房內，影響生產。

3.3 治理結果分析

此次鐵礦灰巖富水區探放水運用大功率瞬變電磁法探測，結合地質資料和實際鉆探數據，累計完成5個探放水孔的施工。通過連通性試驗，探明了不同富水區、探放水孔和生產區域之間的水力聯系，對探放水孔和生產區域之間存在的導水通道及時進行了封堵處理，保障了探放水工作順利進行。5個探放水孔全部集中在-240 m水平以上，其中-200 m水平ZSK2-1孔孔深541 m，孔放水量1 900 m3/d，ZSK2-2孔孔深576 m，孔放水量1 600 m3/d；-240 m水平ZSK1-1孔孔深500 m，孔放水量2 500 m3/d，ZSK2-1孔孔深544 m，孔放水量1 500 m3/d，避險硐室附近探放水孔孔深558 m，孔放水量150 m3/d。總鉆探量2 719 m，累計涌水量達7 650 m3/d，保證了該礦安全生產。

4 結 論

（1）將等效參數法運用于大功率瞬變電磁法探測中，有效區分出了金屬礦體和水體，取得了良好的探測效果。在某鐵礦500～600 m深度范圍內準確探測到了富水區的存在，有效解決了傳統瞬變電磁法對金屬礦山富水區探測時容易出現的錯探、誤探等難題。

（2）通過連通性試驗判斷各富水區之間的水力聯系，探明了某鐵礦-240 m水平的ZSK1-1孔和-200 m水平的ZSK1-1孔、ZSK1-2孔3個孔與生產區域無連通；-240 m水平的ZSK2-1孔與生產區域之間存在導水通道，對存在安全隱患的區域及時進行了處理，消除了鐵礦富水區潛在的安全隱患，提高了治理過程的可控性。

（3）提出了一套運用大功率瞬變電磁法結合地質資料以及實際鉆探數據尋找富水區進行疏放水的綜合探放水技術，并成功運用于某鐵礦灰巖富水區，保證了礦產資源順利開采，為類似金屬礦山綜合探放水治理提供了借鑒。