井下铁矿巷道掘进工作面超前预警探测.pdf

S e r i e s No ． 4 61 No ve mb e r 2 01 4 金 砖 山 METAL MI NE 总 第4 6 1 期 2 0 1 4 年第 1 1 期 井下铁矿 巷道掘进工作 面超前预警探测 刘殿军 贾三石 王恩德 宫国慧 丛桂新 陈继宏 1 ．鞍钢集团矿业公司井下铁矿， 辽宁 辽阳 1 1 1 0 0 0 ； 2 ．东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ； 3 ．中钢集团天津地质研究院有限公司， 天津 3 0 0 0 6 1 摘要金属矿山井下巷道施工过程中掌子面前方 的地质条件复杂多变， 尤其存在采空区或含水采空区时， 安 全危害极大。为保障矿山开拓巷道施工安全高效， 进行相关的超前预警探测研究显得非常重要。为此， 利用最新型的 瞬变电磁法测量设备， 使用自制多匝 一超多匝重叠小回线测量装置， 采用扇形布点的数据采样方式 ， 运用多种数据处 理解译方法， 在井下铁矿 一1 0 m中段掘进巷道掌子面前方成功发现含水破碎带和遗留老旧采空区。其成果表明井下 瞬变电磁法可以实现金属矿山掘进巷道掌子面的超前预警探测， 为金属矿山安全生产提供技术保障。 关键词 井下瞬变电磁法铁矿床超前预警探测 重叠小回线巷道掌子面 中图分类号P 3 1 9 ， X 9 3 6 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 4 一 l 1 - 1 4 7 - 0 4 Adv a nc e d Ear l y W ar ni ng De t e c t i o n Ahe ad o f Tun ne l i ng i n Un de r g r o u nd I r o n Or e L i u D i a n j u n J i a S a n s h i Wa n g E n d e G o n g G u o h u i C o n g G u i x i n C h e n J i h o n g 1 ． U n d e r g r o u n d I r o n Mi n e o fA n g a n g S t e e l G r o u p Mi n i n g C o m p a n y ， L i a o y a n g 1 1 1 0 0 0， C h i n a ； 2 ． S c h o o l of R e s o u r c e s C i v i l E n g i n e e r i n g ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， Ch i na ； 3 ． S i n o s t e e l T i a n fi n G e o l o g i c a l A c a d e m y ， 死0 凡3 0 0 0 6 1 ， Chi na Ab s t r a c t D u r i n g t h e u n d e r g r o u n d t u n n e l c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f me t a l mi n e s ， t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n f r o n t of t u n n e l f a c e v a r y w i d e l y， e s p e c i a l l y w h e n t h e g 0 a f o r t h e wa t e r c o n t a i n i n g g 0 a f o c c u r s ， r e s u l t i n g i n g r e a t s a f e t y h a z a r d s ． I n o r d e r t o e n - s u r e t h e s a f e t y a n d e f f i c i e n c y o f mi n e r o a d wa y c o n s t r u c t i o n， t h e a d v a n c e d e a rl y wa r n i n g r e s e a r c h i s mu c h n e e d e d ． T h e r e f o r e， wa t e r b e a ri n g f r a c t u r e z o n e a n d g o af l e f t i n f r o n t of r o a d w a y t u n n e l f a c e i n t h e u n d e r gro u n d mi n e 一1 0 m mi d d l e a r e f o u n d b y a d o p t i n g t h e u p gra d e d T EM e q u i p me n t t o g e t h e r wi t h t h e s e l f - ma d e mu l t i - t u r n o r o v e r mu l t i -- t u rn s ma l l c o i n c i d e n t l o o p me a s u r -- i n g d e v i c e ， t h r o u g h t h e s e c t o r p o s i t i o n i n g d a t a s a mp l i n g me t h o d， a n d u s i n g mu l t i p l e d a t a p r o c e s s i n g a n d i n t e r p r e t a t i o n me t h o d ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e mi n e T EM me t h o d c a n b e a p p l i e d i n a d v a n c e d w a rni n g d e t e c t i o n o f r o a d wa y t u n n e l f a c e i n me t a l mi n e s ， a n d c a n p r o v i d e t e c h n i c al g u a r a n t e e f o r t h e p r o d u c t i o n s afe t y o f me t a l mi n e s ． Ke y wo r ds Un d e r gro u n d TE M ， I r o n o r e d e p o s i t ， A d v a n c e d e a r l y wa r n i n g d e t e c t i o n， S mall c o i n c i d e n t l o o p， R o a d wa y t u n - ne 】f a c e 人类社会的进步与发展离不开对矿产 资源的开 发与利用 ， 而随着地表矿产 资源的持续开发 ， 易采矿 产资源越来越少 ， 采矿活动逐 步由地表、 近地表 的露 天开采 向深井发展。井下开采不可避免的遇到巷道 掘进工作 ， 掘进 中断层、 涌水 、 坍塌等地质灾害影响作 业安全 ， 进而提高生产成本 ， 特别是掘进过 程中遇到 一 定历史时期遗留的采空区或充水采空区 ， 安全危害 极大。因此 ， 如果可以提前发现掘进巷道掌子 面前方 地质情况 ， 预测断裂充水带或采空 区的存在 ， 实 时调 整巷道掘进工艺 ， 并采取对应 的安全预 防措施 ， 不但 收稿 日期2 0 1 4 - 0 9 - 0 7 作者简 介刘殿 军 1 9 7 3 一 ， 男 ， 高级工程师。 可以保障生产安全 ， 而且还会大大降低施工风险和掘 进成本 ， 实现危险因素的超前预警探i 贝 4 ⋯ 。 超前预警探测最早应用 于煤矿涌水作业 面和隧 道的超前地质预报， 并取得了不少研究成果 引， 但对 于金属矿 山的应用 ， 特别是铁矿山的应用还是一个空 白。为此 ， 本研究以井下铁矿巷道 的超前地质预警探 测为实例 ， 以最新研 发 的瞬变 电磁法设备 T e r r a T E M 为基础 ， 采用 自制的多匝 一超多 匝重叠小 回线装置 ， 开展瞬变 电磁法在铁矿山采 空区超前预警探测 中的 应用研究 ， 为安全高效的井下铁矿山采掘工作提供技 总第 4 6 1期 金 矿 山 2 0 1 4年第 1 1 期 术支撑。 1 井下铁矿掘进巷道超前预警探测基本原理 瞬变电磁法， 通常采用 的是半空间域探测的地面 时间域电磁法， 它具体是采用不接地回线装置或接地 线源向地下发射一次脉冲电磁场， 在一次脉冲电磁场 间歇期间使用线圈或接地 电极等装 置观测二次涡流 场。基本原理 是电磁感应定律 ， 其衰减过程一般 分 早、 中和晚期等 3个场 ， 早期场主要相当于频率域中 的高频成分 ， 衰减快而趋赴深度小 ， 晚期场则相当于 频率域中的低频成分， 衰减慢而趋赴深度大。此方法 具体就是通过测量断电后不 同时间段 的二次场随时 间的变化趋势 ， 以得到不 同探测深度 的地电特征 ， 来 反演得到不同深度的地质分布情况 ， 从而达到解决工 程地质问题的目的。 相 比于地面瞬变电磁法 ， 井下瞬变电磁法的探测 基本原理与其一致 ， 即开始地球物理测量时架设线圈 使其法线方向对准井下铁矿掘进巷道中所要探测的 掌子面前方 ， 后在发射装置中通 以阶跃电流并瞬间关 断后， 任一时刻发射装置前方的涡旋电流在发射位置 处产生的磁场可以等效为一个水平环状线 电流的磁 场 ， 被地球 物理学家形象 的称之为 “ 烟圈效应” - 6 J 。 从上述效应可知 ， 井下瞬变电磁法早期瞬变电磁场反 映的是浅部介质的地电特性分布， 其晚期电磁场反映 的是深部介质的地 电特性分布。地球物理探测过程 中， 如果按 不同的延迟 时间测量 二次感 生电动势 t ， 就可以得到二次场随时间衰减变化的特性 曲线 ， 把发射电流归一化后成为 V t ／ ， 4 寺性曲线 。因此 ， 探测巷道掌子面前方一定距离 内岩层的电性变化情 况可依据接收到电场 电动势随时间的衰减变化规律 而得到 ， 这样就达到掘进巷道掌子面超前探测 目的。 由于井下铁矿瞬变 电磁法应用过程中 ， 地球物理 测量存在由半空间到全空间的转变 ， 存在特有的“ 双 烟圈效应” 如图 1 ， 一时间引起探测方 向的难 以确 定的问题。但大量的井下探测理论研究和超前预警 应用研究表明井下瞬变电磁法探测结果主要反映主 探测方 向前方一定距离 内的介质电性变化情况 J 。 关于井下瞬变电磁法的视电阻率计算 ， 主要采用 井下瞬变电磁法全空间域视电阻率计算公式 p c 『 一 2 tz o S N ] ⋯ C 6 ． 3 2 1 0 。 4 订 L 5 t V ／ 』 S N ／ 3 ， ． 2 ／ 3 t - 5 ／ 3 ， 1 式中， C为全空间响应系数 ； S为接收 回线线圈面积 ； Ⅳ为线圈匝数 ； 为二次场衰减时间； V ／ I 为归一化 电 位值 。 1 48 ／ 一 ～ 、 ＼ ＼ ＼ ＼ ⋯ ＼ ／ 一⋯ ⋯一 ／ ／ 一 二 ／ 、 ＼ f f， 一 ／／ Z 图 1井下瞬变电磁 法“ 烟圈效应 ” Fi g ． 1“ S m o k i n g r i n g ” o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e tic m e t h o d a t u n d e r g r o u n d 2 井下铁矿掘进巷道超前预警探测技术方法 由于井下铁矿巷道掘进工作面探测空间狭小 ， 为 满足探测精度和距离的需要 ， 井下瞬变 电磁法多采用 边长 1 ～ 2 m的多匝 一超多 匝重叠小 回线测量装置 见图 2 ， 探测 中通过不断增加探测发射装置和 接受装置的线圈匝数来不断增 大发射磁矩 和有效接 收面积来不断提高信噪比， 进而满足井下铁矿掘进巷 道掌子面前方不 同探测距离 的要求。具体实施过程 是沿掌子面前方 ， 先紧贴巷道左侧壁 向掌子面 ， 再 向 右侧壁呈扇形路径逐点测量 ， 最终获取掌子面前方及 两侧不同距离内地电特征分布情况。 图 2井下瞬变 电磁法探测装置 Fi g． 2 TEM d e t e c t i o n c on fig ur a t i o n a t unde r g r o und 在井下瞬变电磁法探测过程中， 由于铁矿体为低 阻 ， 一定程度上影响探测距离 ， 这时可适 当通过不 断 增大发射线圈电流和接收线圈采样时间来探测掘进 巷道掌子面前方及两侧不 同距离 内的地 电异常分布 特征。对现场采集到的瞬变电磁法测量数据 ， 第一步 进行数据整理和数据预处理工作 剔 除数据异 常点、 电动势曲线剪切和数据滤波增强处理 ， 消除各类 因 素导致的数据畸变 ； 第二步 ， 根据探测区已知地 电特 征， 建立反演模型； 第三步， 依据反演模型， 对测量处 理数据进行视电阻率反演计算 ， 并进行相关的时间 一 深度转换， 并绘制带有探测距离和视电阻率值的地球 物理解译图件； 第四步， 结合探测区已有地质资料和 地球物理探测资料及相关的开采情况 ， 对地电异常解 译 ， 圈出异常区域供钻探验证 。 刘殿军等 井下铁矿巷道掘进工作面超前预警探测 2 0 1 4年第 1 1期 3 研究区地质概况 研究 区位于鞍本铁矿产区 ， 为典型的鞍山式富铁 矿床 ， 赋矿地层主要为太古界鞍 山群茨沟组 ， 茨沟组 为变质岩系 ， 其由老到新分别为下部角闪岩层 、 下含 铁层、中部 钠 长 变 粒 岩、 上 含 铁 层 和 硅 质 岩 层 组 成_ 1 。由于是典型 的富铁矿床 ， 研究 区不 同采矿 中 段既存在 日伪时期采富弃贫遗 留的空场型老 旧采空 区 ， 且 大多已充水 ， 同时也存在矿产资源整合开发 以 前无序开采 、 滥采滥挖形成 的成 串、 多层分布 的面积 型空 区， 给运输巷道的开拓和井下铁矿开采带来极大 的安全危害。 4 超前预警探测实例 4 ． 1 井下铁矿超前预警探测装置及参数设置 井 下铁 矿掘进 巷道 掌子 面探测 设备 主要 采用 T e r r a T E M， 该地球物理探测设备可设置更多的时间 门， 且具有很高的采样分辨率 ， 特别是在配置增强型 快速关断时间控制装置后 ， 测量关断时间更短而使其 可采集浅层地电数据 ， 以特别适合于浅一 中层地球物 理测量 。 根据井下巷道掘进过程中探测 区域 的地质 和空 间条件限制 ， 为最大限度 的保证探测距离和精度 ， 测 量装置采用多 匝 一超多 匝重叠 小 回线装置 4 0～5 0 匝 ， 线圈直径 1 ． 5 m， 测量发射装置电流 5～7 A， 发 射关断时问0 ． 1 0～ 0 ． 4 0 m s ， 5 1 2 次测量叠加， 一定采 样时间段内， 单个测量点采样密度控制在 9 0～1 0 0窗 口实现高精度和高分辨率采样 。探测流程 为沿掘进 巷道掌子面左侧贴壁开始测量 ， 逐步 向掌子面贴壁测 量 ， 后转 向掌子 面右侧贴壁测量 ， 测量 点 11 4 从 掌子面左侧一掌子面前方 掌子面右侧呈扇形分布 如图 3 。 图 3 巷道掘进掌子面 测量点布置 Fi g ． 3 Th e d i s t r i b u t i o n o f me a s u r i n g p o i n t s i n e xc ava tion wor ki ng f ac e 4 ． 2 掘进巷道掌子面探测结果及分析研究 本次应用研究共在井下铁矿不 同开拓巷道布设 了6 条扇形测量剖面， 每条剖面测点数 1 0～l 6个不 等 ， 均控制了开拓巷道掌子面前方及两侧一定距离 内 的地 电分布特征 ， 地球物理测量成果达到了预期研究 目的， 为铁矿山井下巷道开拓提供了安全技术保障。 下面以井下铁矿巷道 1 0 0 5穿的典型超前预警探测成 果为例进行分析研究 见图 4 。 冒 音 薄 蛊 吕 褪 椒 j 盂 喧 露 l Z 3 4 ， 6，8 l ul I l 2l 31 4 测 点序号 图 4 掘 进巷 道掌子面超前预警探测结果 F i g ． 4 Th e d e t e c tio n r e s u l t s o f a d v a n c e d e a r l y wa r n i ng i n e x ca va t i on wo r ki ng f a c e 1 0 0 5穿开拓巷道为井下 一1 0 m 中段 ， 在巷道开 拓过程中曾出现渗水现象 ， 怀疑前方存在含水破碎带 或充水采空区， 为保安全施工， 进行 了超前预警探测 ， 其中第 1 4点为掌子面左壁 ， 第 51 1点为掌子面 前方 ， 第 1 2～1 4点为掌子面右壁。探测结果显示 图 4 ， 掌子面前方 1 0～1 8 m处 出现明显低阻异常 ， 可推 断为含水破碎带 ， 而 2 8 m处 出现局部高阻异常 ， 结合 已有地质资料 ， 可推断为采空区。 针对测量结果 ， 矿山进行了钻进施工 ， 在掌子面 前方 1 2 m打到含水的断裂破碎带 ， 而在 3 0 m处见到 铁矿采空区， 其 内未含水 。 由上述探测成果可知 ， 铁矿山井下巷道掘进过程 中对章子面前方及两侧进行超前预警探测是可行的 ， 且具有方便、 快捷和高效 的特点。相 比于传统的电法 勘探 ， 超前预警探测中测量数据视 电阻率大小的 计算结果受多种因素制约 ， 如发射线圈面积和 匝数、 异常体规模大小及埋深等。此外 ， 计算视电阻率大小 还与探测异常体的真实电阻率存在较大差异， 且关断 时间的影响而存在一定 的探测盲区 本次 0～ 5 m ， 这都需要结合已有地质资料进行细致分析和解译。 ∞ m 5 ∞ 鸵 如 掩 H m O 0 0 0 0 O 0 O O O 0 0 O O 总第 4 6 1 期 金 属 矿 山 2 0 1 4年第 1 1 期 5 结论 1 超前预警探测成果表明 ， 井下铁矿掘进巷道 掌子面超前探测不受目标体的空间限制， 全空间域内 也可以实现对金属矿山井 下掘进巷道掌子面前方的 超前预警探测 ， 圈出潜在危险区供验证处理。 2 采用多匝 一超多匝重叠小 回线探 测装 置的 井下瞬变电磁法可以实现对工作区面全方位定点、 定 深和定方向灵活高效探测， 不存在传统物探的探测死 角和探测盲区， 且具有很高的探测精度和分辨率。 参考文献 [ 1 ] 罗利锐 ， 刘志刚 ， 闫怡冲． 超前地 质预报系统 的提出及其 发展方 向[ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 1 s 1 6 1 4 - 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