基于鉆孔電視成像的導水裂隙帶高度確定

程力 吳欽正 侯奎奎 劉興全 劉洋

摘要：三山島金礦新立礦區(qū)東北翼礦體被海水和第四系覆蓋，目前該區(qū)域回采至-135m中段，為安全回采，預留厚近120m護頂層礦柱，壓占了大量的礦產資源。在確保安全回采的前提下，為了盡可能回收上部礦體資源，采用GD3Q-GA全景數字鉆孔電視攝像系統(tǒng)，在55勘探線-135m中段及-240m中段上盤巷道內施工鉆孔，對開采上部礦體可能出現的導水裂隙帶高度進行現場實測。研究結果表明：新立礦區(qū)東北翼上部礦體圍巖裂隙高度為30～40m。繼續(xù)向上開采至-115m中段，其上方仍留有厚約70m的礦體，導水裂隙帶尚未通達隔水層。而-105m中段所有巷道作為蓄水池在已充滿水的情況下均不漏水，研究結果與實際符合，可為礦山東北翼護頂層礦柱安全回采提供技術支撐，也為類似工程提供參考。

關鍵詞：海下開采;圍巖裂隙;導水裂隙帶;護頂層;鉆孔電視成像技術

中圖分類號：TD74文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）03-0043-05doi：10.11792/hj20210308

引言

水體下、建筑物下、公路鐵路下賦存的礦產資源（簡稱“三下”資源）開采一直是地下復雜采礦的核心難題之一[1-5]。而海下等水體下蘊藏著豐富的煤炭、金屬礦產等資源，研究海下等水體下礦產資源開采對礦業(yè)發(fā)展和進步具有重要意義[6-10]。但是海下開采時，巖層變形產生裂隙，形成導水裂隙帶，有效的防水措施是留設一定厚度的防水上部礦體，防止巖層導水裂隙帶通達水體，造成突水事故發(fā)生。因此，準確確定采場導水裂隙帶高度對于海下開采具有重要的意義，國內外學者在這方面做了不少研究[11-14]。

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）新立礦區(qū)是中國第一個海底開采的硬巖非煤礦山，礦體被海水和第四系覆蓋。為確保開采的安全性，實現礦區(qū)東北翼護頂層礦柱的高效回收，需確定上部礦體開采后形成的巖層導水裂隙帶高度，從而為上部礦體的安全開采決策提供技術支撐。

1工程概況

三山島金礦新立礦區(qū)位于山東省萊州灣畔，礦體賦存情況如圖1所示。東北翼上部礦體位于0勘探線—119勘探線-165～-45m區(qū)域，礦體平面圖如圖2所示。為防止海下開采突水事故發(fā)生，礦山對-165m中段以下礦體采用點柱式上向分層充填采礦法開采，-165m中段以上礦體采用上向進路充填采礦法開采，大部分回采至-140m中段，部分回采至-135m中段，預留厚近120m上部礦體，壓占大量的礦產資源，影響了礦山的經濟效益。為盡可能地回收上部礦體資源，礦山準備對-135m中段上部部分礦體進行開采。

2鉆孔電視攝像系統(tǒng)

海下開采時，巖層變形會產生裂隙，形成導水裂隙帶，導水裂隙帶發(fā)展到一定程度將與海水連通，導致海下開采發(fā)生重大突水事故。因此，導水裂隙帶高度是確定護頂層礦柱尺寸的重要參考依據。

目前，導水裂隙帶高度的測定方法有多種，包括鉆孔沖洗液法、鉆孔電視法、瞬變電磁法、高密度電阻率法、超聲波穿透法、聲波CT層析成像技術、井下仰孔注水測漏法等。根據新立礦區(qū)現場情況，綜合技術經濟比較，選擇采用GD3Q-GA全景數字鉆孔電視攝像系統(tǒng)進行測量，該方法具有直觀、準確等特點。

2.1工作原理

GD3Q-GA全景數字鉆孔電視攝像系統(tǒng)如圖3所示，其由2部分組成，即現場實時圖像采集系統(tǒng)和室內處理分析系統(tǒng)。

鉆孔攝像的工作原理主要是通過攝像探頭對鉆孔內壁進行無擾動360°全方位掃描觀測，然后將整個鉆孔信息實時同步展開，再通過內置坐標系統(tǒng)和計算機軟件將其還原成真實鉆孔孔壁圖像并拼接為二維平面展開圖。在二維平面展開圖中，按照N-E-S-W-N的順序展開。

2.2使用方法

硬件接好后，打開主機電源，進入電腦系統(tǒng)，然后打開圖像采集軟件，設置相關信息和參數后即可開始圖像采集。采集軟件基本信息如圖4所示。

軟件后處理操作系統(tǒng)界面如圖5所示，界面分為鉆孔平面展開圖、三維鉆孔巖心圖、數據面板3大部分。對某一裂隙進行曲線擬合，在三維鉆孔巖心圖中展現出相對應的裂隙延展平面圖（如圖6中黃色平面所示）。同時，右邊“數據面板”中會自動生成這條曲線的所有數據，如深度、傾向、傾角、裂隙寬度等。

3工程應用

3.1導水裂隙帶觀測設計

為研究采動過程中上覆巖層導水裂隙帶高度，在55勘探線的-135m中段及-240m中段上盤巷道內施工鉆孔，對導水裂隙帶高度進行現場實測。監(jiān)測位置分別布置在-135m中段已施工的監(jiān)測巷道12m內和-240m中段石門巷內。

-135m中段采場采完后，采場覆巖裂隙發(fā)育基本穩(wěn)定，水平探孔揭露的裂隙帶為18m左右，故5個鉆孔傾角依次為90°、60°、45°、30°和15°，鉆孔形狀如圖7所示，鉆孔參數如表1所示。

-240m中段采場采完后，為了達到與-135m中段采場導水裂隙帶高度和發(fā)育規(guī)律進行對比分析的目的，在-240m中段石門巷距F1斷層上盤10m內布置一個60°斜孔，20m處布置豎向孔，35m處布置60°斜孔，50m處布置30°斜孔，盡可能達到或分布在導水裂隙帶范圍內。-240m中段測點布置如圖8所示，鉆孔參數如表1所示。

3.2導水裂隙帶高度觀測

1）-135m中段圍巖裂隙帶。對-135m中段01，02，03，04，05號鉆孔進行了觀測，裂隙帶觀測結果如表2所示。其中，02，04號鉆孔電視圖像分別如圖9、圖10所示。

2）-240m中段圍巖裂隙帶。對-240m中段06，07，08，09號鉆孔進行了觀測，裂隙帶觀測結果如表3所示。其中，07，09號鉆孔電視圖像分別如圖11、圖12所示。

3.3上部礦體導水裂隙帶分布規(guī)律

通過對-135m中段及-240m中段圍巖導水裂隙帶觀測可知，新立礦區(qū)東北翼上部礦體圍巖導水裂隙帶發(fā)育高度不超過30m。如果繼續(xù)向上開采至-115m中段，其上方仍留設有約70m的礦體，約為導水裂隙帶的2.5倍，導水裂隙帶尚未通達隔水層。

3.4上覆導水裂隙帶形態(tài)推測

對于新立礦區(qū)東北翼礦段的裂隙帶形態(tài)，由于新立礦區(qū)采用多中段同時開采，且開采年限較長，區(qū)域較大，其冒落帶、裂隙帶已在空間上成形，形成較大區(qū)域的拋物線形態(tài)。綜合考慮新立礦區(qū)各中段礦體開采厚度、充填接頂情況、頂底柱留設大小及巖層破碎和支護等情況，參考同類礦山情況，新立礦區(qū)東北翼上部礦體圍巖導水裂隙帶大概形態(tài)如圖13所示。

3.5上部礦體導水裂隙帶的輔助驗證

-105m中段剖面如圖14所示。該中段所有巷道作為蓄水池都已充滿水，石門巷位于上盤并穿過礦體與下盤脈外采準巷道相連，在距措施井15m左右位置設置擋墻，巷道未進行支護，整個蓄水池不漏水，說明新立礦區(qū)東北翼礦體開采引起的導水裂隙帶未達到-105m中段，其高度小于30m，這與鉆孔電視觀測裂隙帶實測結果吻合。

4結語

采用GD3Q-GA全景數字鉆孔電視攝像系統(tǒng)對-135m及-240m中段圍巖裂隙帶觀測可知：導水裂隙帶垂直發(fā)育高度為30～40m。在必要的安全措施與技術手段前提下，上部礦體繼續(xù)上采20m至-115m中段，上方仍留設有約70m的礦體，約為導水裂隙帶的2倍，導水裂隙帶尚未通達隔水層，有較充分的安全保障。

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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