鉆孔探測與TRT技術(shù)在銅坑礦采空區(qū)中的應(yīng)用

潘桂海 胡建華

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

鉆孔探測與TRT技術(shù)在銅坑礦采空區(qū)中的應(yīng)用

潘桂海1,2胡建華2

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

采空區(qū)是礦山重大災(zāi)害源之一，不同性質(zhì)的采空區(qū)采用不同的探測方法。以銅坑礦既有采空區(qū)為研究對象，在已知采空區(qū)中采用鉆孔探測法，實(shí)時監(jiān)測空區(qū)頂板的發(fā)展，為安全處理采空區(qū)提供依據(jù)；對于未知采空區(qū)，采用TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行探測，直觀反映工作面前端地質(zhì)情況，指導(dǎo)施工工作。應(yīng)用結(jié)果表明，鉆孔探測法與TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在銅坑礦空區(qū)探測中是切實(shí)可行的，與聲發(fā)射數(shù)據(jù)、工程揭露情況一致，為銅坑礦處理采空區(qū)提供了技術(shù)參考。

采空區(qū) TRT技術(shù) 鉆孔探測

采用空場法的地下礦山會留下規(guī)則或不規(guī)則的空區(qū)，隨著開采范圍的擴(kuò)大，逐漸形成復(fù)雜的空區(qū)群。同時受民采影響，留下大量的隱伏采空區(qū)。這些采空區(qū)中預(yù)留的礦柱在采動過程中不斷受到地應(yīng)力擾動，逐步破碎垮落，致使空區(qū)群連成一片。因此，采空區(qū)若長期不處理，或者僅用留礦柱支撐等不當(dāng)?shù)奶幚泶胧瑢⒄T發(fā)頂板垮塌乃至礦震等礦山地質(zhì)災(zāi)害。為保證礦山持續(xù)安全生產(chǎn)，必須探明采空區(qū)，并長期觀測和妥當(dāng)處理。

1 空區(qū)探測方法

1.1 直接預(yù)報(bào)法

對于已知、簡單的采空區(qū)，可以利用既有的采準(zhǔn)和開拓工程采用直接預(yù)報(bào)法進(jìn)行探測，如鉆孔探測、三維激光掃描儀測量等。

鉆孔探測可以應(yīng)用于采空區(qū)周邊布置有巷道工程的已知采空區(qū)，直觀地了解鉆探點(diǎn)的空區(qū)位置，進(jìn)而推測出空區(qū)的大至輪廓線，并利用空區(qū)頂板探測孔的變化，實(shí)現(xiàn)對空區(qū)垮落情況的定期跟蹤，為人員通行及空區(qū)處理提供安全預(yù)警。

三維激光掃描儀測量可以應(yīng)用于具備巷道工程或鉆孔通達(dá)空區(qū)內(nèi)部的采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)對空區(qū)的三維探測，掃描范圍為1 000 m，測量精度達(dá)8 mm，數(shù)據(jù)經(jīng)礦業(yè)三維軟件處理后形成精準(zhǔn)的空區(qū)三維模型，獲取采空區(qū)空間位置、大小、形狀、實(shí)際邊界等信息，可切割任意剖面圖，從而為礦山實(shí)施空區(qū)安全管理和處理奠定基礎(chǔ)[1]。

1.2 物探法

對于無巷道工程直接通達(dá)和不確定位置的隱伏空區(qū)，采用物探法摸底排查是最有效的探測方法。物探法主要分為微重力法、直流電法、瞬變電磁法、高密度電法、地震波法等[2-3]。主要原理是不同介質(zhì)對重力、電流、地震波等具有不同的反饋值，通過對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而了解測定區(qū)域的地質(zhì)體性質(zhì)(空區(qū)、軟弱帶、破碎帶、斷層、水體等)、位置及規(guī)模等。

2 工程概況

銅坑礦位于廣西南丹縣大廠鎮(zhèn)境內(nèi)，礦山開采對象主要包括上部細(xì)脈帶礦體，中部及下部的91#、92#礦體，三大礦體位置在空間上呈立體重疊分布，地質(zhì)賦存條件復(fù)雜。經(jīng)過近30 a的開采，上部急傾斜的細(xì)脈帶和中部似層狀的91#礦體已開采殆盡，下部礦體的開采技術(shù)條件愈加復(fù)雜，92#礦體為現(xiàn)開采的主礦體。92#礦體賦存于硅質(zhì)巖中，巖石層理發(fā)育，巖層單層厚1～5 cm，單層內(nèi)紋層厚1～5 mm，硅質(zhì)巖性脆；頂板圍巖為寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r及部分硅質(zhì)巖，寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r厚15～20 m，單層厚3～10 cm，底部有3 m左右的泥灰?guī)r，單層厚20～30 cm；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理和斷層，對礦體穩(wěn)定性影響大，常造成采空區(qū)冒頂。

銅坑礦采用無底柱分段崩落法、組合崩落法、空場嗣后充填法等多種采礦方法，且深邊部區(qū)域有大小、形狀不規(guī)則的民采空區(qū)和巷道。為保證生產(chǎn)作業(yè)安全，在布置開拓、采準(zhǔn)工程前必須對民采空區(qū)進(jìn)行探測、處理，避免出現(xiàn)透水、垮落沖擊等事故。

3 空區(qū)探測技術(shù)的應(yīng)用

3.1 鉆孔探測及采空區(qū)處理

鉆孔探測作為最簡單、最直接、最有效的空區(qū)探測、觀察手段，普遍應(yīng)用于銅坑礦正常回采的空區(qū)，結(jié)合聲發(fā)射等地壓監(jiān)測系統(tǒng)，有效實(shí)施空區(qū)頂板垮落情況的觀察分析。

T415采場位于204#～206#線，垂直標(biāo)高為405～455 m水平，采用分段空場嗣后充填法回采，采場長67 m，寬15 m，暴露面積為1 005 m2。回采完畢后在455 m水平先利用開拓、采準(zhǔn)廢石充填，后期采用全尾砂膠結(jié)充填接頂。在采準(zhǔn)期間布置2個充填井，采場爆破完畢后在455 m水平布置3個探測孔對頂板垮落情況進(jìn)行觀察，以保證充填作業(yè)安全。探測孔布置見圖1。

圖1 探測孔布置示意

該采場于2014年6月中旬爆破回采，8月底出礦完畢，9月初施工好探測孔并進(jìn)行廢石充填作業(yè)。7月初至8月底，隨著爆破回采的推進(jìn)，頂板跨度不斷增大，由聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，爆破震動使得采場內(nèi)巖音增多，頂板、邊幫、塊體松動、垮落，9月初停止爆破后，地應(yīng)力重新分布，頂板層理及裂隙受拉應(yīng)力的作用逐步張開，經(jīng)過2個多月的冒落形成冒落拱，達(dá)到新的平衡，聲發(fā)射裝置收集到的數(shù)據(jù)明顯減少(圖2)。

經(jīng)現(xiàn)場觀測，在4個多月的充填時間內(nèi)，空區(qū)頂板垮落量不大，垮落主要集中在回采爆破結(jié)束后的2個月內(nèi)，主要原因是采完后空區(qū)地應(yīng)力重新分布，待頂板垮落至應(yīng)力平衡拱位置后，垮落量逐漸減少，與聲發(fā)射數(shù)據(jù)相吻合。探測孔觀察數(shù)據(jù)見表1。

圖2 T415采場聲發(fā)射數(shù)據(jù)

表1 探測孔觀察結(jié)果

3.2 TRT空區(qū)探測

由前期探礦工程揭露情況可知，銅坑礦北部存在大量大小不一、形狀不規(guī)則、空間位置復(fù)雜的民采空區(qū)和巷道[4]。為了解復(fù)雜空區(qū)群的具體位置，對該區(qū)域采用地震波地質(zhì)超前探測。

3.2.1 TRT基本工作原理

TRT采用地震波探測法，技術(shù)原理是當(dāng)激發(fā)的地震波遇到聲學(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，了解巷道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(空區(qū)、軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模等[5-6]。其原理見圖3。

3.2.2 351 m水平探測結(jié)果及分析

351 m中段探測點(diǎn)布置見圖4。

根據(jù)TRT數(shù)據(jù)處理后得到的成像結(jié)果(圖5)解譯分析如下：

(1)從圖5(a)可以看出，在震源點(diǎn)前方50～ 70 m 范圍內(nèi)存在一個集中的負(fù)反射區(qū)域。結(jié)合圖5(b)看，破碎帶在該位置很有可能存在一空區(qū)。351m沿脈巷道掘進(jìn)中的涌水可能存在于該位置。

圖3 地震波探測法原理

圖4 351 m水平探測點(diǎn)布置

圖5 351 m水平探測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

(2)震源前方80～120 m范圍內(nèi)存在2塊異常反射體，離震源較近的一塊負(fù)反射體區(qū)域較小，而較遠(yuǎn)的一塊負(fù)反射區(qū)域較大，推測可能存在破碎帶構(gòu)造，可能為采空區(qū)及采掘活動引起的破碎帶。351 m水平探測結(jié)果解譯見圖6。

圖6 351 m水平探測結(jié)果解譯

后期對探測區(qū)域前端開挖表明，離震源點(diǎn)前方50～120 m處存在多個形狀不規(guī)則的民采空區(qū)和巷道，與TRT超前探測解譯分析情況相吻合，揭露的民采空區(qū)平面位置見圖7。

圖7 325～345 m水平揭露的民采空區(qū)及巷道平面

采用TRT超前探測技術(shù)，為礦山危險區(qū)域掘進(jìn)提供了基礎(chǔ)的工程地質(zhì)資料，通過加強(qiáng)施工過程管理控制，避免了透水事故的發(fā)生。并通過放頂處理和布置底部出礦塹溝再造等工程對民采巷道進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)回收礦石和處理空區(qū)的目的。

4 結(jié) 論

通過對銅坑礦T415采場空區(qū)采用直接預(yù)報(bào)法，在采場頂部施工探測孔，對空區(qū)頂板垮落情況進(jìn)行實(shí)時觀測，為空區(qū)頂部開展充填作業(yè)提供安全保障。對于銅坑礦深邊部有可能存在不明民采空區(qū)的區(qū)域，在進(jìn)行開拓、采準(zhǔn)設(shè)計(jì)前，采用TRT超前探測技術(shù)，探明前端地質(zhì)情況，為采空區(qū)處理方案設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)依據(jù)。銅坑礦對不同性質(zhì)的采空區(qū)采用不同的探測方法，既避免了人力、物力、時間的浪費(fèi)，也為安全處理空區(qū)提供基礎(chǔ)資料，保證了礦山安全生產(chǎn)。

[1] 張朝雷，宋衛(wèi)東，付新建，等.CMS及三維可視化技術(shù)在采空區(qū)探測中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2011(4)：95-97.

[2] 朱寶金，郝志東，張引良，等.采空區(qū)探測及處理[J].露天采煤技術(shù)，2002(3)：39-40.

[3] 魯 輝，薛云峰，胡韋華.采空區(qū)的特征與探測技術(shù)研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(2)：27-33.

[4] 劉敦文，古德生，徐國元.地下礦山采空區(qū)處理方法的評價與優(yōu)選[J].中國礦業(yè)，2004，13(8)：52-55.

[5] 付水法,郭素芝.TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究應(yīng)用[J].金屬材料與冶金工程,2012,40(2):80-84.

[6] 高 峰，周科平，周炳仁，等.基于TRT技術(shù)的礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，24(4)：80-85.

2015-05-30)

潘桂海(1989—)，男，助理工程師，547207 廣西自治區(qū)河池。