電位法超前探測在富水地下礦山施工中的應用

陶 磊 陳建宏 胡京濤

(1.中南大學資源與安全工程學院;2.中國鋁業公司長沙有色冶金設計研究院有限公司)

在地下礦山施工過程中常會出現突泥、突水、瓦斯突出等與地下水有關的地質災害。這些地質災害誘發原因可能是巖層的本身物理和巖體工程特性，也可能是采動活動改變地下圍巖的原始的力學平衡狀態，對工程帶來巨大的損失，據資料不完全統計［1-3］，在國內的幾十年時間里，有近300多個礦井發生過淹井事故，死亡1 700多人，經濟損失達數百億。在這種形勢下，發展對地下水的探測及預報技術對礦山的開采施工作業有著十分巨大的前景和意義。

長期以來，地質專家及相關領域研究人員進行了大量的試驗研究和實際探測工程摸索，主要是針對地下安全生產施工中遭遇的各種地質災害問題，目的是解決生產施工中遇到的難題，為探測和預報地下水災害做出突出貢獻。

直接鉆探法是在隧道施工期間采用超前鉆孔進行地質超前預報，是隧道超前地質預報方法中最常用的方法，缺點是單個鉆孔只能給出沿鉆孔鉆進方向的地質變化情況，超前鉆探既費時又費錢，影響正常施工，當地下水壓較高時或有瓦斯體時，容易引起大的事故［4-6］。在如今信息化科技高速發展的條件下，超前探測預報技術系統研究的發展趨勢主要集中在以下幾個方面:一是探測方法綜合化，二是儀器安全輕便化，三是理論模擬三維化，四是資料處理可視化。陸兆康、李開興等［7］利用紅外儀、激電儀進行超前探水預測預報技術是礦山開掘斜井和平巷防水安全措施行之有效方法，是省工、省時、經濟的一種探水技術;趙國敏、王亞會、王進等［8］利用地學層析技術和電磁波CT觀測，成功分析出了該地區暗河、破碎帶及溶洞的存在，為探測技術提供新的思路;劉敦文，古德生［9］在分析國內外己有成果，將工程災害隱患雷達探測與控制理論及技術，研制出一種基于人工神經網絡的探地雷達智能解釋系統，開發了與之配套的可視化自適應人工神經網絡軟件，并應用到礦山采空區處理方案決策過程中，取得了良好的應用效果;黃憶龍、卓越、南琛等［10］系統闡述了紅外線超前探水的原理，研究了充泥溶洞、富水溶洞及富水斷層破碎帶的T－S曲線特征，為富水隧洞預測水害及其治理提供了保證;張平松、李永盛等［11］通過改進瞬變電磁法測試布置方式、中心線方向豎直測試剖面，形成四斷面法超前測試，增強了對前方含水異常體的空間判斷能力，具有一定的可靠性，能為坑道掘進安全生產提供有效指導;韋萬川、陸兆康、李開興等［12］分析了瞬變電磁法及直流電法超前探測的優點和不足，重點闡述了三維電法超前探測的原理和三維電阻率層析成像技術，認為該技術具有很強實用性有效性和推廣應用價值的結論;羅金、劉春生［13］利用震電效應，通過觀測放炮前后震電信號的強弱變化可以探測周圍含水地質體。試驗表明，震電法探測距離遠，探測準確性隨掘進面推進可循序驗證，是一種可行的極具潛力的隧道含水體超前探測預報方法。

1 礦山施工現狀

貴州某大型鋁土地下礦山在施工過程中，1 140 m中段巷道布置在弱含水層(婁山關)中，根據地質資料顯示:礦區范圍內有多條大斷層，含水層主要有3層(棲霞茅口、擺佐、婁山關)且含水層之間聯系情況較為復雜，礦山最大涌水量28 000 m3/d，地下平均水位約在1 290 m。巖石主要由灰巖、白云巖構成，溶洞溶槽發育。為保障施工安全，避免突水、突泥及斷層給施工帶來人員、財產損失，掌子面迎頭超前探水工作是礦山施工掘進中必不可少的環節之一。施工單位首先采用傳統工藝，采用鑿巖機或潛孔鉆進行超前探水，在實際操作中遇到多方面的問題:①當圍巖較為破碎時，鑿巖機易卡鉆，掃孔、成孔較難，且長度有限(3～6 m)。換用潛孔鉆機，成孔較為容易、但進尺慢、設備準備時間較長，均不能取得良好效果。②準確度不夠，根據施工規范，探水鉆孔一般布置3～5個，布置數量增加會延長工期及提高造價，但此數量能探測的范圍較為有限，經常出現探孔未能探出水而實際掘進時遇水。③由于已位于地下水位150 m以下，水頭壓力較大，一旦出水且壓力較大時，無法及時封堵，給掌子面作業帶來較大困難，二次處理耽誤時間。

為解決這些實際困難，項目部決定采用物探手段進行超前探測，并提出了幾點要求:①探測時間盡量控制在幾小時內，越短越好。②探測儀器能夠適應井下復雜環境(淋水、斷面狹窄)。③探測距離不要求太長(12～15 m)，有合理保護巖柱長度即可;精確度不要求太高，但能準確判斷是否存在異常情況，在取的結果后可結合探孔進一步獲得工程地質資料。④操作簡單，維護方便，探測結果可即時獲得，費用合理。

2 電位法超前探測技術研究

在選擇物探手段時，考慮目前巷道內淋水點較多，環境較為復雜(掌子面有照明、風筒、電機等設施及支護設施)首先排除了紅外探測法和電磁法中磁場法，紅外探測法易受淋水干擾，磁場法易受金屬物品干擾。物探應在電法及彈性波反射法中選擇，彈性波反射法優點是準確度高、可獲得斷層、裂隙、溶洞的具體位置信息，但缺點是操作要求較高，結果需進行二次分析。電位法的優點是操作要求較低、結果直觀，缺點是精確度較低。根據項目部對物探手段要求，經綜合各種探測方案比較，決定選用高密度電位法進行超前探測。

由于最終選用的方案為電位法探測手段，探測設備選用北京華安奧特科技有限公司研制的HAR200隧道電法超前探測儀，如圖1。該儀器以視電阻率法原理，可進行三極法超前探測、四極法、溫納及三極測深工作，工作原理如圖2所示。HA－R200隧道電法超前探測儀設備高度集成，內置電源及分析軟件，配備智能電極，放電采用數字鎖相環測量技術，三防設計，操作簡便。

圖1 電位法超前探測儀

圖2 電位法超前探測儀工作原理

3 超前探測試驗與結果驗證

3.1 工作面選擇

超前探測工作面選擇在礦山1 140 m中段北向某一工作面，見圖3。已掘巷道內有淋水、巖石較為破碎但質地堅硬，工作面寬度4.5 m，高度約為3.2 m，噴射混凝土支護。

圖3 超前探頭布置

3.2 探測方法及人員安排

探測手段采用三級法，電極間距4 m，起始位置據掌子面4 m，探測范圍為前方32 m。操作人員3人:儀器操作及記錄1人、電極鋪設及檢查1人、無窮遠線架設1人。

3.3 探測步驟

(1)鋪設電極及無窮遠線，根據間距沿巷道掘進方向布置電極，要求電極固定在巖石中，深度不小于3 cm，電極與導線連接處不得浸泡在水中。無窮遠線布置不小于100 m。

(2)電極檢測、通過儀器自帶軟件分析，對問題點進行故障排除，主要是連接及固定方面的問題。

(3)放點探測，得出結果。該工作面電阻率云圖如圖4、圖5，整個探測過程耗時約40 min，方便快捷。

圖4 視電阻率圖

3.4 結果分析

圖5 探測中段電阻率分布

從圖4、圖5中可直觀判斷出，在掌子面迎頭前方有2處相對低阻區域:9～13 m處、18～22 m處，此區域范圍內可能出現導水地質構造(斷層、裂隙)。

3.5 結果驗證

經實際掘進，9～13 m處確實有一處斜切巷道的裂隙，在12 m位置有一處集中出水點，與探測結果相符合，而18～22 m處無構造裂隙及斷層，巖石稍破碎、節理裂隙較發育。

4 結論

(1)高密度電位法在地質災害預報方面，具有操作便利、耗時少、費用低、結果直觀、工作環境適用性強等優點，在井巷掘進施工時具有很強的應用性。雖然其精度不高，無法獲得溶洞及裂隙的詳細位置，但結合鉆探方法可進行有效彌補。

(2)高密度電位法根據其原理，其原始數據云圖呈三角錐型，隨著探測深度的增加范圍愈加廣泛，但精度也隨之降低，經后續多次驗證，該儀器在20 m范圍內結果基本準確。

(3)高密度電位法在金屬地下礦山應用時，除可做超前預報外，其本身作為物探手段還可以對礦塊的具體分布進行探測，但需經過一定數據積累和分析，對礦體的電阻率有一定認識后方可判斷。

(4)各種物探手法均有各自的適用環境要求及優缺點，根據工程實際情況合理選用。高密度電位法結合普通鉆探方法可高效解決地下富水礦山中的地質預報問題，滿足井巷施工“有疑必探、先探后掘”的要求。

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