基于钻孔电视成像的导水裂隙带高度确定

程力 吴钦正 侯奎奎 刘兴全 刘洋

摘要：三山岛金矿新立矿区东北翼矿体被海水和第四系覆盖，目前该区域回采至-135m中段，为安全回采，预留厚近120m护顶层矿柱，压占了大量的矿产资源。在确保安全回采的前提下，为了尽可能回收上部矿体资源，采用GD3Q-GA全景数字钻孔电视摄像系统，在55勘探线-135m中段及-240m中段上盘巷道内施工钻孔，对开采上部矿体可能出现的导水裂隙带高度进行现场实测。研究结果表明：新立矿区东北翼上部矿体围岩裂隙高度为30～40m。继续向上开采至-115m中段，其上方仍留有厚约70m的矿体，导水裂隙带尚未通达隔水层。而-105m中段所有巷道作为蓄水池在已充满水的情况下均不漏水，研究结果与实际符合，可为矿山东北翼护顶层矿柱安全回采提供技术支撑，也为类似工程提供参考。

关键词：海下开采;围岩裂隙;导水裂隙带;护顶层;钻孔电视成像技术

中图分类号：TD74文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）03-0043-05doi：10.11792/hj20210308

引言

水体下、建筑物下、公路铁路下赋存的矿产资源（简称“三下”资源）开采一直是地下复杂采矿的核心难题之一[1-5]。而海下等水体下蕴藏着丰富的煤炭、金属矿产等资源，研究海下等水体下矿产资源开采对矿业发展和进步具有重要意义[6-10]。但是海下开采时，岩层变形产生裂隙，形成导水裂隙带，有效的防水措施是留设一定厚度的防水上部矿体，防止岩层导水裂隙带通达水体，造成突水事故发生。因此，准确确定采场导水裂隙带高度对于海下开采具有重要的意义，国内外学者在这方面做了不少研究[11-14]。

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿（下称“三山岛金矿”）新立矿区是中国第一个海底开采的硬岩非煤矿山，矿体被海水和第四系覆盖。为确保开采的安全性，实现矿区东北翼护顶层矿柱的高效回收，需确定上部矿体开采后形成的岩层导水裂隙带高度，从而为上部矿体的安全开采决策提供技术支撑。

1工程概况

三山岛金矿新立矿区位于山东省莱州湾畔，矿体赋存情况如图1所示。东北翼上部矿体位于0勘探线—119勘探线-165～-45m区域，矿体平面图如图2所示。为防止海下开采突水事故发生，矿山对-165m中段以下矿体采用点柱式上向分层充填采矿法开采，-165m中段以上矿体采用上向进路充填采矿法开采，大部分回采至-140m中段，部分回采至-135m中段，预留厚近120m上部矿体，压占大量的矿产资源，影响了矿山的经济效益。为尽可能地回收上部矿体资源，矿山准备对-135m中段上部部分矿体进行开采。

2钻孔电视摄像系统

海下开采时，岩层变形会产生裂隙，形成导水裂隙带，导水裂隙带发展到一定程度将与海水连通，导致海下开采发生重大突水事故。因此，导水裂隙带高度是确定护顶层矿柱尺寸的重要参考依据。

目前，导水裂隙带高度的测定方法有多种，包括钻孔冲洗液法、钻孔电视法、瞬变电磁法、高密度电阻率法、超声波穿透法、声波CT层析成像技术、井下仰孔注水测漏法等。根据新立矿区现场情况，综合技术经济比较，选择采用GD3Q-GA全景数字钻孔电视摄像系统进行测量，该方法具有直观、准确等特點。

2.1工作原理

GD3Q-GA全景数字钻孔电视摄像系统如图3所示，其由2部分组成，即现场实时图像采集系统和室内处理分析系统。

钻孔摄像的工作原理主要是通过摄像探头对钻孔内壁进行无扰动360°全方位扫描观测，然后将整个钻孔信息实时同步展开，再通过内置坐标系统和计算机软件将其还原成真实钻孔孔壁图像并拼接为二维平面展开图。在二维平面展开图中，按照N-E-S-W-N的顺序展开。

2.2使用方法

硬件接好后，打开主机电源，进入电脑系统，然后打开图像采集软件，设置相关信息和参数后即可开始图像采集。采集软件基本信息如图4所示。

软件后处理操作系统界面如图5所示，界面分为钻孔平面展开图、三维钻孔岩心图、数据面板3大部分。对某一裂隙进行曲线拟合，在三维钻孔岩心图中展现出相对应的裂隙延展平面图（如图6中黄色平面所示）。同时，右边“数据面板”中会自动生成这条曲线的所有数据，如深度、倾向、倾角、裂隙宽度等。

3工程应用

3.1导水裂隙带观测设计

为研究采动过程中上覆岩层导水裂隙带高度，在55勘探线的-135m中段及-240m中段上盘巷道内施工钻孔，对导水裂隙带高度进行现场实测。监测位置分别布置在-135m中段已施工的监测巷道12m内和-240m中段石门巷内。

-135m中段采场采完后，采场覆岩裂隙发育基本稳定，水平探孔揭露的裂隙带为18m左右，故5个钻孔倾角依次为90°、60°、45°、30°和15°，钻孔形状如图7所示，钻孔参数如表1所示。

-240m中段采场采完后，为了达到与-135m中段采场导水裂隙带高度和发育规律进行对比分析的目的，在-240m中段石门巷距F1断层上盘10m内布置一个60°斜孔，20m处布置竖向孔，35m处布置60°斜孔，50m处布置30°斜孔，尽可能达到或分布在导水裂隙带范围内。-240m中段测点布置如图8所示，钻孔参数如表1所示。

3.2导水裂隙带高度观测

1）-135m中段围岩裂隙带。对-135m中段01，02，03，04，05号钻孔进行了观测，裂隙带观测结果如表2所示。其中，02，04号钻孔电视图像分别如图9、图10所示。

2）-240m中段围岩裂隙带。对-240m中段06，07，08，09号钻孔进行了观测，裂隙带观测结果如表3所示。其中，07，09号钻孔电视图像分别如图11、图12所示。

3.3上部矿体导水裂隙带分布规律

通过对-135m中段及-240m中段围岩导水裂隙带观测可知，新立矿区东北翼上部矿体围岩导水裂隙带发育高度不超过30m。如果继续向上开采至-115m中段，其上方仍留设有约70m的矿体，约为导水裂隙带的2.5倍，导水裂隙带尚未通达隔水层。

3.4上覆导水裂隙带形态推测

对于新立矿区东北翼矿段的裂隙带形态，由于新立矿区采用多中段同时开采，且开采年限较长，区域较大，其冒落带、裂隙带已在空间上成形，形成较大区域的抛物线形态。综合考虑新立矿区各中段矿体开采厚度、充填接顶情况、顶底柱留设大小及岩层破碎和支护等情况，参考同类矿山情况，新立矿区东北翼上部矿体围岩导水裂隙带大概形态如图13所示。

3.5上部矿体导水裂隙带的辅助验证

-105m中段剖面如图14所示。该中段所有巷道作为蓄水池都已充满水，石门巷位于上盘并穿过矿体与下盘脉外采准巷道相连，在距措施井15m左右位置设置挡墙，巷道未进行支护，整个蓄水池不漏水，说明新立矿区东北翼矿体开采引起的导水裂隙带未达到-105m中段，其高度小于30m，这与钻孔电视观测裂隙带实测结果吻合。

4结语

采用GD3Q-GA全景数字钻孔电视摄像系统对-135m及-240m中段围岩裂隙带观测可知：导水裂隙带垂直发育高度為30～40m。在必要的安全措施与技术手段前提下，上部矿体继续上采20m至-115m中段，上方仍留设有约70m的矿体，约为导水裂隙带的2倍，导水裂隙带尚未通达隔水层，有较充分的安全保障。

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Abstract：TheorebodyinthenortheastwingofXinliminingareaofSanshandaoGoldMineiscoveredbyseawaterandQuaternary.Atpresent，theareaisminedtothelevelof-135m.Forsafemining，theroofprotectionpillarisreservedwithathicknessofnearly120m，whichoccupiesalargenumberofmineralresources.Onthebasisofsafemining，inordertorecovertheupperorebodyresourcesasmuchaspossible，theGD3Q-GApanoramicdigitaldrillingTVcamerasystemisusedtodrillholesintheupperroadwayof55explorationlineat-135mleveland-240mlevel，andthedevelopmentheightofwaterdiversioncracksthatmayoccurintheupperorebodyismeasuredonsite.TheresultsshowthatthedevelopmentheightofsurroundingrockfissuresintheupperorebodyofthenortheastwingofXinliminingareaisabout30-40m.Iftheminingcontinuesupwardsto-115mlevel，thereisstillanupperorebodywithathicknessofabout70maboveit，andthewaterconductingfissurezonehasnotyetreachedwaterprooflayer.Ontheotherhand，allroadwaysatthe-105mlevelarewatertightwhentheyarefullofwater.Theresearchconclusionisconsistentwiththeactualsituation.Thereseachcannotonlyprovidetechnicalsupportforthesafeminingoftheroofpillarinthenortheastwingofthemine，butalsoisusedasareferenceforsimilarprojects.

Keywords：underseamining;surroundingrockfissure;waterconductingfissurezone;protectivetoplayer;boreholeTVimagingtechnology