西石門鐵礦地質(zhì)超前預報系統(tǒng)的建立與應用

文孝貴

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

西石門鐵礦位于河北省武安市礦山鎮(zhèn)西石門村，礦區(qū)面積約3.7 km2，南北長約5 km。為保證掘進施工的安全，不斷探索使用各種先進的物探方法。先后采用了可控源法、高密度電法、瞬變電磁法[1]、激光掃描、地質(zhì)雷達法、紅外探測法等多種物探方法進行探測。最終確立以TRT6000 地震波層分析超前預報系統(tǒng)為主要方法，分析測試成果，指出掘進工程前方可能存在的異常，增加了超前預報工作的針對性。建立了以地質(zhì)分析為前提，物探為前導，鉆探揭露為主的綜合地質(zhì)超前預報體系。

1 西石門鐵礦掘進工程中的主要問題

西石門礦區(qū)主要地層分布如下：第四系（Q），主要由沖、洪積物和坡積及風積物組成；石炭系（C）中統(tǒng)本溪組，主要由灰黃及灰色砂質(zhì)頁巖及少量石灰?guī)r組成；奧陶系（O）中統(tǒng)上馬家溝組，由灰?guī)r、泥質(zhì)花斑灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r組成，中生代燕山期巖漿巖、閃長巖、角閃二長巖等侵入奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r中，形成接觸交代矽卡巖型磁鐵礦。礦床的構造極為復雜，以褶皺為主，斷裂構造次之，并控制了礦床的形態(tài)、產(chǎn)狀及空間位置變化。

礦區(qū)含水層按賦存巖層劃分主要有奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層、第四系河床砂礫石潛水含水層及閃長巖風化裂隙潛水含水層，其中，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層為主要含水層，基底閃長巖、第四系黃土及冰積泥礫層為相對隔水層。

1.1 掘進工程施工現(xiàn)狀

西石門鐵礦為緩傾斜中厚礦體，按礦體自然賦存條件可劃分為北、中、南3 個部位，采用中央豎井及斜井聯(lián)合開拓，目前采用無底柱分段崩落法采礦。主要通過誘導放頂、自然冒落等方法處理采空區(qū)頂板，現(xiàn)已塌落至地表，回采工作較為安全。

1.2 主要問題

西石門鐵礦受不規(guī)則的閃長巖隆起和局部構造影響，北區(qū)、中區(qū)、南區(qū)地下水位存在差異。北區(qū)地下水位在 ?50 m 左右，中區(qū)地下水位在 ?30 m左右，南區(qū)地下水位在 ?40 m 左右。水位以上部位突出的地質(zhì)問題主要是圍巖破碎造成的地壓管理困難和不明空場誘發(fā)的地壓沖擊波等。而水位以下部位突出的地質(zhì)問題是除地壓問題外，還包括由不明采空區(qū)積水可能引發(fā)的透水問題等。

西石門鐵礦由于多年來受小礦點破壞，其遺留的不明采空區(qū)給礦方帶來了重大生產(chǎn)安全隱患。2009 年3 月28 日的事故，就是典型的不明采空區(qū)積水引發(fā)的透水事故，給西石門鐵礦造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。西石門鐵礦民采空區(qū)主要有如下特點。

（1）形成時間跨度大，20 世紀80 年代末至今，礦區(qū)內(nèi)存在著早已形成和正在形成的采空區(qū)。

（2）數(shù)量龐大、分布廣，已查明的民采損失礦量達千萬噸以上。近期西石門鐵礦中區(qū) ?40 m 中段共施工了23 個鉆孔，其中18 個鉆孔揭露空區(qū)。

（3）民采礦點在礦區(qū)內(nèi)越層越界盜采，分布無規(guī)律，地表無痕跡、地下無資料。

（4）由于民采空區(qū)分布無規(guī)律，導致其積水范圍、積水量均無據(jù)可查。一般認為地下水位以上的空區(qū)不積水，地下水位以下的空區(qū)積水。

民采空區(qū)給礦山安全生產(chǎn)，尤其是防治水工作帶來了極大的困難。為解決這一難題，經(jīng)過多年探索，西石門鐵礦確立了以TRT6000 為主的地質(zhì)超前預報系統(tǒng)。

2 TRT6000 超前預報系統(tǒng)及施工工藝

TRT6000 超前預報系統(tǒng)采用地震波反射三維成像技術，利用地震波遇到聲學阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時的反射地震信號，通過分析了解巷道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規(guī)模。

地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到另一高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負的。因此，當?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，也就越容易探測到。

2.1 TRT6000 的特點[3]

TRT6000 系統(tǒng)采用12 個震源和10 個傳感器，震源布置在掌子面附近的左右邊墻上，分兩個斷面布置，如圖1 所示。斷面間隔為2 m；傳感器布置在距震源點10～20 m 的巷道兩邊墻及拱頂上。

圖1 震源與檢波器點的布置

TRT6000 可以方便準確地預報工作面前方100～200 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，從而為井巷工程的施工安全提供了科學依據(jù)。

2.2 現(xiàn)場施工

TRT 使用重錘錘擊指定的震源點激發(fā)地震波，同一組錘擊的位置不可改變。TRT 觸發(fā)及連接見圖2。

圖2 TRT 觸發(fā)及連接

經(jīng)過上述現(xiàn)場測試，采集測試數(shù)據(jù)后，進入室內(nèi)數(shù)據(jù)分析，編制TRT 測試成果[4]。

3 應用實例

西石門鐵礦北區(qū) ?80 m 水平1 號穿脈為深部開拓工程，圍巖為閃長巖，灰白色至灰黑色，呈半自形晶或它形粒狀、細粒結構，塊狀構造，主要礦物成分為斜長石，次之為角閃石，有少量輝石，巖石致密堅硬。礦巖接觸帶附近巖體穩(wěn)固性降低，呈破碎狀，常伴有裂隙水涌出。

3.1 TRT6000 測試成果

首先進行TRT6000 探測，測試成果見圖3。

圖3 TRT6000 探測成果解析

TRT6000 探測成果推測結論：掌子面前方8 m以內(nèi)地質(zhì)情況較好，巖體較完整；掌子面右前方16 m處，巷道中心線右側(cè) ?3～+20 m，標高 ?60～?100 m范圍，高阻抗異常向低阻抗異常過度明顯，推測可能存在節(jié)理裂隙面；掌子面前方35～75 m，標高?100～?60 m 范圍，低阻抗異常大范圍分布，連續(xù)性好，推測可能為大范圍分布的破碎巖體引起，不排除存在空區(qū)、巷道等采礦工程的可能。

3.2 鉆探成果

根據(jù)TRT6000 試驗解析成果，該部位共設計并施工鉆孔1 個，孔深80.5 m。揭露巖性為閃長巖，巖芯較破碎，多呈短柱狀，RQD 值為14%，巖石質(zhì)量差（見鉆探成果圖4）。

圖4 鉆探成果

鉆孔孔深16 m 處見水7 m3/h、45 m 處見水23 m3/h，推斷為裂隙水。建議巷道向前掘進45 m 后，進行下一循環(huán)的超前預報工作。

掘進時應先對出水鉆孔進行處理，用水管將鉆孔中的水引入指定的排水溝，并持續(xù)排水；其次，在掘進時應對前方特別是巷道頂部加強短探，并密切關注巷道圍巖的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)變化情況，當出現(xiàn)冒落、片幫或頂板、圍巖異常涌（淋）水等透水征兆時，應立即停止掘進，及時向礦方有關人員匯報并采取相應的處理措施。

3.3 成果對比分析

鉆孔揭露孔深16.0 m 處見水7 m3/h、45 m 處見水23 m3/h，較好地對應了TRT 探測成果所得的結論。

TRT6000 在實施過程中主要遇到以下3 個問題：

（1）對現(xiàn)場巖性了解不充分，導致配備的沖擊鉆無法鉆孔安裝傳感器；

（2）在破碎巖石中實施，無法選擇理想的震源點和傳感器接收點；

（3）現(xiàn)場外加的噪聲及震動對測試結果有一定的影響。

根據(jù)問題原因，采取了以下措施，從而很好地解決了上述問題，并在后期的施工中成效顯著。

（1）及時深入現(xiàn)場，掌握擬進行探測部位的地質(zhì)條件、巖性情況等，選擇合適的沖擊鉆，確保鉆孔符合要求。

（2）在破碎巖石中，依據(jù)震源點和傳感器的布置原則，在相應的震源點位置上加注錨桿，借助錨桿與巖體更緊密的結合，加強彈性波在巖體中的傳播，減少因錘擊破碎巖石表面而損失的彈性波能量。在相應的傳感器位置上進行噴漿支護，保證傳感器接收到有效彈性波。

（3）通過分析整個TRT 測試過程，只有當測試人員利用大錘錘擊震源點時，外加彈性波才有可能影響測試。準備錘擊時，在確保安全的情況下，生產(chǎn)鏟車、水泵、風機盡量暫停運行，以減少其對測試的影響。

4 結論

（1）在井下采用彈性波法對掘進面前方不良地質(zhì)體進行預報是眾多地球物理探測方法中一種可行的方法，采用TRT6000 技術布設檢波器和震源更為靈活，適用于礦山地質(zhì)超前預報。

（2）西石門深部開拓工程在重點可疑區(qū)域應繼續(xù)堅持“有疑必探”的方針，采用地質(zhì)素描、物探和鉆探的綜合預報方法，降低民采空區(qū)水害風險。

（3）通過全年在西石門鐵礦開展深部開拓工程的地質(zhì)超前預報，減少了鉆探的盲目性，提高了鉆探的針對性，降低了地質(zhì)超前預報的費用，解決了西石門鐵礦安全生產(chǎn)、可持續(xù)生產(chǎn)的重大難題，穩(wěn)定了企業(yè)生產(chǎn)，具有顯著的社會效益。

（4）在現(xiàn)階段嚴峻的安全生產(chǎn)形勢下，為具有類似問題礦山的安全生產(chǎn)提供了可供參考的技術手段。