综合超前地质预报技术在大水矿山开拓巷道的应用研究

孔繁军

(中国华冶科工集团有限公司)

综合超前地质预报技术在大水矿山开拓巷道的应用研究

孔繁军

(中国华冶科工集团有限公司)

为保障大水矿山巷道开拓安全，根据地震波反射法、地质雷达、红外探水仪、瞬变电磁法在井下试验情况，结合井下巷道环境特点，提出了开拓巷道三级综合超前地质预报探测方案，在中关铁矿-260 m水平副井东巷进行了应用试验。结果表明，综合超前地质预报技术较单一物探方法精确性明显提高，减少超前钻孔50%以上，大大提高巷道掘进速度。

超前预报 巷道开拓 大水矿山

经过近几十年的开采，我国浅部及水文地质条件相对简单的矿产资源已逐渐枯竭。在我国部分矿石自给率长期不足的形势下，加大深部及地质条件复杂矿床的开采是必然趋势。因此近年来大水矿山的建设逐步启动，如河北钢铁集团所属的中关铁矿、大贾庄铁矿等。大水矿山在矿山建设过程中未形成完善的排水系统，井巷开拓时面临较大的突水风险。白象山铁矿在基建期就曾发生严重的突水淹井事故，造成巨大损失。因此，巷道掘进时通过超前探水掌握围岩的富水情况尤为重要。目前矿山超前探水主要以钻孔的方式，钻孔探水直观、准确，但施工时间长，成本较高，有限的钻孔也不能完全体现围岩的富水情况。近年来物探方法在隧道施工超前地质预报中得到了广泛应用[1-3]，矿山巷道施工物探也有尝试，但一般使用的方法较单一，提供的探测结果可靠性不高。本文通过TSP地震反射波法、孔内探水仪、地质雷达、红外探水仪等多种物探方法的试验研究，探讨了大水矿山开拓适用的综合超前探水技术。

1 井下巷道超前探测的特点

井下开拓巷道综合超前探测技术参考了隧道施工过程中的超前地质预报。国内外对于隧道超前预报的研究较多，研发了多种隧道超前探测仪器设备，应用较为成熟。隧道与井下开拓巷道具有一定的相似性，但隧道超前探测重点关注围岩的稳定性，具有长直的特点，适合长距离探测手段；大水矿山井下巷道超前探测的重点是对围岩富水性探测，地下矿山开拓巷道弯道较多，更适用短距离探测方法。因此，应选择对水体探测精度较高的物探类型。

2 超前地质预报总体方案

通过对TSP地震反射波法、钻孔探水法、地质雷达及红外探水仪4种物探方法的现场试验，掌握各方法对不同地质体的识别特性，围绕富水性探测，建立矿井巷道三级探测超前地质综合预报方案。

(1)初步长距离预报。根据现有地质资料对开挖区域的地质情况进行研究，估测岩层、断层面和其他重要地质界面的产状，预测地下水富存段及掌子面前方长距离预报。通过地震反射波法探测，初步查明前方0～120 m不良地质体的类型、大概位置和规模，确定不良地质体与巷道轴线相交的位置和夹角。结合地质分析及地震波反射法探测结果进行区域富水性初步分级，以A、B、C、D 4个等级表示富水性依次为强富水、较富水、一般富水和不富水。

(2)二次预报。应用地质雷达、红外探水仪进行中短距离探测，根据地质雷达反射波形图及频谱特征，得到掌子面25 m范围内围岩不良地质构造及富水性情况，分级方法与初次预报一致。若富水性为C、D级时，在掌子面进行5 m短探后正常掘进。

(3)验证预报。根据初次、二次预报的结果，若两次预报富水性等级较高(A、B级)，或者初次预报和二次预报结果不一致时，则在巷道中心钻进一个探孔，根据钻孔涌水情况及钻孔探水仪探测结果布置探水钻孔。

3 综合超前地质预报

河北钢铁集团中关铁矿主要矿体均赋存于岩浆岩与中奥陶系灰岩的接触带及其附近灰岩裂隙中，矿床水文地质条件复杂。正在进行的井下-260 m水平开拓巷道涌水量大，掘进巷道采用50 m超前钻孔探水，施工进度极为缓慢，防治水成本高。为提高施工速度，在保障安全的前提下，从-260 m水平副井中心向东26 m处应用了综合超前地质预报技术，试验段巷道120 m，效果显著。

3.1 TSP系统长距离超前探测

在开拓巷道起始点掌子面(副井中心向东26 m处)进行了第一循环的TSP系统长距离探测，探测距离120 m。根据试验巷道实际条件，确定在巷道左帮上水平布置24个炮孔和1个检波孔。经过数据分析与处理，得到横波、纵波、纵横波速比等重要参数变化结果。各参数平均值为纵波速4 108 m/s，横波速2 592 m/s， 弹性模量31.43 GPa，泊松比0.17，大部分区域岩石隧道围岩与掌子面和炮孔段岩体基本一致。由图1、图2可知，在70～90 m，110～150 m反射波明显，距离掌子面70 m处Vp降低明显，预计节理裂隙发育，130 m处泊松比升高，Vp/Vs增大，预计该围岩段可能含裂隙水。根据已有的地震波反射法探测解译基础，反射波明显段断层破碎带可能性增大。初次预报0～70 m富水性为C-D级，70～140 m富水性为B-C级。

图1 速度参数

图2 弹性参数

3.2 地质雷达、红外探水仪二次探测

在开拓巷道起始点掌子面(副井中心向东26 m处)进行了第一循环的地质雷达、红外探水仪探测，探测有效距离25 m，此后每掘进20 m进行一次探测，共实施6个循环探测。第1～3次探测，地质雷达反射波不明显，信号频率为中高频；红外探水仪前3次探测结果均为C-D级富水。二次探测预报结果与初步长距离探测结果相符。因此，试验段0～60 m 段实施短探后掘进方案。

第4～6次探测均出现雷达反射波异常，经处理的雷达波形如图3所示，红外探测结果如图4。分析认为，试验段64 m后雷达信号反射明显，中低频特征，围岩破碎、富水性较大。红外探测结果显示，从掌子面由外到里探测值整体呈上升趋势。距离掌子面30 m之外，巷道拱与边墙探测值差异较大，从曲线整体看，最大值与最小值相差近70，远超出一般认为的安全值10。因此分析认为试验段60 m 后富水性为A-B级。

3.3 孔内探水仪验证探测

试验段第4次进行的探测预报富水性为B级。

图3 地质雷达探测结果

图4 红外探水仪探测结果

根据综合探测方案，即进行巷道中心钻孔探水仪探测。巷道中心探孔深49 m，钻进过程中虽未见超过3 m3/h的涌水。钻孔探水仪的探测结果如图5，视电导率在16～22 m从低到高再降低的过程，说明钻孔此段周围可能有一个低阻地质体；在34～48 m段，电导率逐渐升高，变化缓慢，49 m处又开始降低，说明此段钻孔较远处有一个低阻体。视电导率和视极化率在32～36 m有明显变化，可能有含水体；46 m处视极化率有变化，视电导率有升高趋势，周围可能有含水体。经分析认为探测段围岩有较大的富水可能性，应进行全断面长钻孔探测。

3.4 实际开挖验证

试验段前60 m经综合探测预报为不富水区，实施短探后掘进，经开挖验证，该段涌水量较小，节理裂隙不发育，掌子面涌水小于5 m3/h，和预报结果相符，减少了大量的探水钻孔，节约工期20 d；第4循环探测结果表明，试验段60 m后存在破碎带，围岩富水可能性增加，实施了全断面50m超前长探，在试验段70 m处钻孔涌水量达25 m3/h，实施了注浆堵水，与预报基本相符。

图5 钻孔探水仪探测数据分析

4 结 论

通过对金属矿山井下巷道超前探测的特点分析，对各类物探方法的调查与试验研究，得到井下开拓巷道适用的综合超前地质预报方案，并在中关铁矿-260 m水平应用，得到如下结论：

(1)形成井下开拓巷道综合超前地质预报技术，即TSP地震反射波法探测进行初步长距离探测，地质雷达和红外探测法联合进行二次中短距离探测，巷道中心孔验证探测的三级综合超前探测，根据富水性等级布置探水钻孔。

(2)综合超前地质预报可有效提高超前探测精确性，较单一物探法预报可靠性高。通过对围岩富水性预报，在巷道掘进期间可减少钻孔1/2以上，经济效益明显。

[1] 齐 甦．隧道地质超前预报技术与应用[M]．北京：气象出版社，2010．

[2] 王正成，谭巨刚，孔祥春，等.地质雷达在隧道超前预报中的应用[J ].铁道建筑，2005(2):9-10.

[3] 罗利锐,刘志刚,陈文涛，等.红外探测技术在海底隧道地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报，2010(8):775-781.

Application on the Comprehensive Advanced Geological Prediction Technology in the Development Tunnel of Inundation Mine

Kong Fanjun

(China Huaye Group Company Limited)

In order to ensure the safety development tunnel of the inundation mine, according to the test condition at underground by the seismic wave reflection method, ground penetrating radar, infrared probe water instrument and drilling exploration water instrument, and combining with the underground tunnel environment characteristics, the three-level comprehensive advanced geological prediction detection scheme about development roadway is proposed, and it is tested in the east lane of -260 m level auxiliary shaft in the zahongguan iron mine. The results showed that, the comprehensive advanced geological prediction technology is more accurate than a single geophysical method and reduce more than 50% advanced boreholes,besides that, the speed of tunneling is improved greatly.

Advanced prediction, Development of tunnel， Heavy-water mine

2014-10-26)

孔繁军(1963—)，男，高级工程师，100176 北京市亦庄经济开发区康定街1号B2座。