铝土矿岩溶超前地质预报技术研究及应用∗-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
铝土矿岩溶超前地质预报技术研究及应用∗
2019-02-18
瓦厂坪铝土矿的开采面临岩溶发育及岩溶水害等地质问题。针对铝土层这一相对顶 底板围岩是低阻介质的情况,试验了多种物探方法,通过设计合理的矿井瞬变电磁和无线电波透视 技术,绘制了相对应的视电阻率等值线拟断面图和电磁波吸收衰减系数等值线平面图,圈定出了工 作面内部的岩溶区。结果表明:岩溶发育区在瞬变电磁法成果图中为低阻反应,在无线电波透视成 果图中是电磁波高吸收区,2 种方法所取得的成果对岩溶发育的位置反应一致,能有效地评价工作 面岩溶发育和其导含水情况。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 · 地质·测量· ∗ 铝土矿岩溶超前地质预报技术研究及应用 邢修举ꢀ 蒋齐平ꢀ 吴正飞 中煤科工集团西安研究院有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 瓦厂坪铝土矿的开采面临岩溶发育及岩溶水害等地质问题。 针对铝土层这一相对顶 底板围岩是低阻介质的情况,试验了多种物探方法,通过设计合理的矿井瞬变电磁和无线电波透视 技术,绘制了相对应的视电阻率等值线拟断面图和电磁波吸收衰减系数等值线平面图,圈定出了工 作面内部的岩溶区。 结果表明:岩溶发育区在瞬变电磁法成果图中为低阻反应,在无线电波透视成 果图中是电磁波高吸收区,2 种方法所取得的成果对岩溶发育的位置反应一致,能有效地评价工作 面岩溶发育和其导含水情况。 关键词ꢀ 铝土矿ꢀ 岩溶发育ꢀ 超前地质预报ꢀ 瞬变电磁法ꢀ 无线电波透视法 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 001 Research and Application of Advanced Geological Prediction Technology for Bauxite Karst Xing Xiujuꢀ Jiang Qipingꢀ Wu Zhengfei ( Xi'an Research Institute Co. Ltd. ,China Coal Technology and Engineering Group Corp. ) Abstractꢀ The karst development and the serious threat of Karst water damage in the Wachangping Bauxite Mine. The bauxite layer is a low-resistance medium in the case of a relatively high-resistance sur- rounding rock. A variety of geophysical methods have been tested. By designing a reasonable mine transi- ent electromagnetic and radio wave perspective technique, the corresponding apparent resistivity contours are drawn. The cross-sectional view and the contour map of the electromagnetic wave absorption attenua- tion coefficient define the karst area inside the working face. The results show that the karst development area is a low-resistance reaction in the results of the transient electromagnetic method, and it is a high-ab- sorption area of electromagnetic waves in the radio wave perspective results. The results of the two meth- ods are consistent with the location of the Karst development, which can effectively evaluate the working surface. Karst development and its water-conducting condition. Keywordsꢀ Bauxite,Karst development,Advanced geological prediction,Transient electromagnetic method,Radio wave perspective ꢀ ꢀ 岩溶水害是我国西南矿区的开采面临的重要水 明瞬变电磁法额无线电波透视综合物探方法能够有 效探测铝土矿内部的岩溶发育情况及含富水性,为 同类地质问题的超前预测提供参考与指导。 [ 1-4] 害问题 ,该地区铝土矿超前水平钻探查容易面临 塌孔问题,延误工期,造成经济损失,因此,提前准确 预测掘进巷道前方或者回采工作面内部地质构造情 况,为矿方提前做好应对措施就显得尤为重要。 通 过在贵州遵义的瓦厂坪铝土矿,对岩溶的发育地质 规律分析,选用了合适的物探技术手段,应用结果表 1 ꢀ 地球物理勘探物性前提 任何地球物理方法都有其应用的物性前提,不 同地质条件和地质环境也会影响某些地球物理探测 [ 5-7] 方法的应用效果 。 铝土自身的导电性较好,相比 于形成工作面的顶底板围岩情况,其自身在电磁法 物探手段中呈现低阻反应。 通过在铝土矿的测试试 验,在常用的电磁物探方法中,仅有无线电波透视和 瞬变电磁法可以穿过工作面,接收到有效的信号响 1 ꢀ ꢀ ∗国家自然科学基金项目(编号:NSFC41674133);中煤科工集 团西安研究院有限公司青年基金项目(编号:2018XAYQN11)。 邢修举(1988—),男,助理研究员,硕士,710077 陕西省西安市 雁塔区锦业一路 82 号。 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 应。 音频电透视和高密度电法测深等方法因低阻屏 蔽作用在导电性良好的铝土矿山均不适用。 铝土矿多有成层性分布特点,故在横向上其导 电性相对均一,纵向上视电阻率的变化规律基本一 致;当含水断层、裂隙或者岩溶在铝土层及附近岩层 发育时,由于含水体使铝土层及周围岩体的导电性 增强,它与完整的铝土层会产生较明显的电性差异, 这是瞬变电磁法探测的地球物理前提。 电磁波在煤 层中传播遇到地质异常体时,电磁波被差异吸收而 造成接收场强变化来发现并分析地质异常体分布范 围和类型;电磁波在铝土层中传播时,如果赋存稳 定,电磁波吸收会有明显的规律性,当内部发育断 层、裂隙或者岩溶时,对电磁波的吸收散射增强,使 接收的电磁波发生变化。 这是无线电波透视探测技 术的物性前提。 图 1ꢀ 烟圈效应 全空间瞬变电磁深度计算经验公式为: 2 1 / 5 f nIL ρ H ≈ 0. 6 ( ) , (2) η 式中,n 为发射线圈匝数;I 为发射电流,A;L 为发射 回线边长,m;ρ 为 t 时刻计算的视电阻率,Ω·m;η 为未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信 号,dB。 2 ꢀ 综合物探技术 2 . 1ꢀ 矿井瞬变电磁探测技术 2 . 2ꢀ 矿井无线电波透视技术 矿井瞬变电磁法是一种时间域瞬变电磁法,矿 矿井无线电波透视法是一种频率域电磁法,常 井中主要使用不接地磁偶源装置形式,通常使用边 长小于 2 m 的方形多匝回线作为收发装置,在一个 线圈中通一间歇性电流,线圈会在巷道周围的全空 间围岩中建立稳定的一次磁场,瞬间关闭电流后,一 次场也立即消失,这一剧烈变化将通过线圈周围表 层导电介质传导到深层岩层中,并在围岩中激发出 感应电流来维持发射电流断开前存在的磁场,使空 用偶极观测方式,利用无线电波在岩、矿媒介质传播 过程中由于自身性质对电磁波能量吸收不同,特别 是当波前进方向遇到断裂构造、岩溶区等波阻抗界 面时,电磁波将在界面上产生反射和折射,波能量被 吸收或者屏蔽,接收机上接收到微弱信号或收不到 [11-12] 信号,形成透视异常 。 施工时一般在工作面 2 条巷道进行,在一个巷 道布置发射测点,向工作面中发射某一频率电磁波, 在工作面另外一巷道布设接收机观测电磁场场强 H 信号施工布置如图 2 所示。 [ 8-9] 间内的磁场不会立刻消失,即二次场 。 该信号的 信息是掘进工作面附近铝土、岩层等地质体的综合 信号响应,结合已知地质情况,通过对信号的分析来 达到探测范围内地质体内含水构造的规模及赋存形 态等情况。 多匝小回线装置可以最大限度地靠近目标体进 行多角度、多方位的探测,这也是其具有一定方向性 的依据。 由于巷道全空间影响,测量的电磁感应信 号为巷道掘进工作面顶板、底板、掘进工作面前方及 后方周围空间的综合电磁感应,巷道内瞬变电磁响 应可近似等效为同时向上、向下及向外扩散电流环, 图 2ꢀ 无线电磁波透视收发关系 成层稳定的矿层可认为是近似均匀介质,透视 时电磁波传播仍可利用均匀介质中的传播公式,假 设辐射源(天线轴) 中点 O 为原点,在近似均匀、各 向同性煤层中,观测点 P 到 O 点的距离为 r,P 点的 [ 10] 即双“烟圈效应” ,如图 1 所示。 全空间视电阻率计算公式: [ 13] 2 / 3 2 / 3 -2 / 3 -5 / 3 t 电磁波场强度 H 由下式表示 : ρτ = 6. 32 × CF JS UV , (1) S - βr e 式中,C 为全空间校正系数;FS 、JS 分别为发射与接 2 收回线等效面积,m ;UV 为接收的归一化二次场电 H = H0 r sinθ , (3) 式中,H0 为决定于发射功率和天线周围煤层的初始 场强,V/ m;β 为煤层对电磁波的吸收系数;r 是发射 位,V;t 为接收的二次场衰减时间,s。 2 ꢀ ꢀ 邢修举ꢀ 蒋齐平等:铝土矿岩溶超前地质预报技术研究及应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 点到接收点点的直线距离,m;θ 为偶极子轴与观测 点方向的夹角。 量溶蚀空洞中有少量的地下水径流,在断层、裂隙中 有少量的地下水流出。 在辐射条件不随时间变化时,H0 为常数,吸收 系数 β 是衡量场强衰减程度的参数,绝对值越大,场 强衰减程度越大。 吸收系数与电磁波频率和矿层电 阻率等电性参数有直接关系。 1102 工作面揭露 F2 断层,该断层在 1102 回风 顺槽和运输顺槽均被揭露,首次被揭露见于回风顺 槽 229°方向 690 m 处,产状 282°∠30°,水平断距 L =14 m,垂直断距 H=7 m,为逆断层,经推断南北延 伸各 100 m 左右,断层盘附近溶蚀发育。 为探明该 工作面内部的地质构造及导含水情况,使用矿井瞬 变电磁法和无线电波透视技术对工作面进行探测。 矿井瞬变电磁法数据采集布设在 1102 工作面 回风巷和运输巷中,采用边长为 2 m×2 m 的方形回 线 40 匝发射、30 匝接收的重叠回线装置,在两巷以 10 m 等间距为测点,每个测点设置 3 个探测方向, 探测该工作面的顶板、顺层和底板,探测示意图如 3 所示。 3 ꢀ 应用实例 瓦厂坪铝土矿于 2011 年 3 月取得贵州省发改 委核准,建工程于 2014 年 11 月全部完成。 铝土矿 资源储量 3 890 万 t,设计生产能力 100 万 t/ a,矿井 采用平硐、上山开拓方式,走向长壁后退式采矿方 法,综合机械化开采工艺回采。 1102 工作面走向长 度 850 m,工作面宽 110 m,该工作面之上直至地表 均为含水层,厚度 140 ~ 244 m,平均约 178 m,工作 面之上无地表径流,地下水由大气降水补给。 在大 图 3ꢀ 1102 工作面瞬变电磁探测角度 ꢀ ꢀ 采用视电阻率等值线拟断面图成像技术,更加 断面的地球物理特征,为铝土矿安全生产提供可靠 的水文地质预报技术资料,如图 4。 直观的反映出 1102 工作面异常地质体在某一探测 图 4ꢀ 瞬变电磁视电阻率等值线拟断面(单位:Ω·m) ꢀ ꢀ 图 4(a)是 1102 工作面顶板 15°方向的视电阻 分析图中视电阻率等值线变化特征可以看出,在巷 道走 向 长 度 在 64 ~ 83 m, 对 应 探 测 深 度 在 62 ~ 110 m,视电阻率最低,低于 16 Ω·m(图中虚线 等值线拟断面图,其中横坐标表示沿巷道走向布设 的长度,纵坐标表示向顶板沿 15°方向的探测深度, 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 部分,下同),该低阻区域呈条带状分布,为较明显 的低阻异常反应,说明对应位置顶板区域富含水较 强,与上部有一定的水力联系。 图 4(b) 是 1102 工 作面顺铝土层方向的视电阻等值线拟断面图,由于 铝土层自身导电性较好,该层位视电阻率值整体较 低,不同部位的等值线也有较明显的差异,与铝土层 的黄铁矿含量分布不均也有一定的关系,分析该层 视电阻率等值线断面图,在巷道走向长度 5 ~ 24 m 和 83 ~ 98 m,对应探测深度在 20 ~ 110 m,视电阻率 值低于 16 Ω·m,特别是中心位置区域,视电阻率值 低于 12 Ω·m,为较明显的低阻异常反应,说明对应 位置顶铝土层裂隙发育,含富水性较强,与顶板有一 定的水利联系。 图 4(c) 是 1102 工作面底板 15°方 向的视电阻等值线拟断面图,视电阻率值均大于 20 Ω·m,相比于顶板 15°探测方向,视电阻率值均较 高,且横向变化较小,说明底板岩层连续性较好,完 整性较好。 性,无线电波透视主要探测铝土层内部构造发育情 况,但二者本次探测结果显示的地质异常区空间位 置接近,由靠近探测走向 0 m 附近已揭露的小型岩 溶情况,推测在探测走向 80 ~ 100 m 的工作面内部 局部范围可能裂隙发育或者有小型岩溶组发育,且 有一定的含水性,主要是岩溶导通的顶板裂隙水。 后在工作面回推到回风巷巷道走向长度 74 m 左右 位置时,靠近回风巷一侧出现一溶水通道,方位角 300°,坡角 16°,可见长度 9. 5 m,宽 0. 5 ~ 1. 7 m,高 3 m,洞壁为深灰色泥质灰岩,底部有厚约 0. 2 m 的 泥质沉积物,洞内发育有钟乳石;运输巷回推到 60 和 90 m 附近时,靠近运输巷一侧各出现一小型溶 洞,洞壁为深灰色泥质灰岩,底部有厚约 0. 2 m 的泥 质沉积物,揭露的岩溶位置如图 6。 利用矿井瞬变电磁法对工作面富水性探测的同 时,也进行了无线电波透视对工作面内部的构造情 况进行了探测。 无线电波透视在 1102 工作面两巷 中以 10 m 间距发射,对巷 10 m 间距接收,以正对发 射点为中心,每个发射点接收 11 个点数据。 本次使 用代数重建算法进行计算,绘制了吸收系数等值线 平面图,如图 5。 在图 5 中,①为电磁波高吸收衰减 区即异常区(工作面内部可能存在构造或者铝土层 较破碎),③和④表示电磁波低吸收衰减区域(铝土 层赋存相对稳定、不存在明显构造)。 图 6ꢀ 岩溶已揭露的位置 4ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)铝土矿中瞬变电磁和无线电波透视技术可 以对工作面内部的岩溶发育位置及含富水性进行较 准确的探测。 (2)瞬变电磁视电阻率等值线拟断面图和无线 电波透视吸收系数衰减等值线图,能够直观地显示 出铝土层中电性分布规律和构造的空间展布形态, 有效地评价工作面构造发育和其导含水情况,为矿 方提供可靠的参考资料。 ( 3)综合物探技术的联合使用可以对西南地区 铝土矿岩溶发育情况进行有效的探查,为该区域岩 溶提前治理工作提供了一种有效的技术手段。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 图 5ꢀ 无线电波透视衰减系数等值线平面 图 5 是 1102 工作面无线电波透视衰减系数等 值线平面图,在巷道走向长度 0 ~ 10 m,对应探测 55 [ 1]ꢀ 杨少锋. 大麦山多金属矿山开采引发的矿山地质灾害及防治 措施分析[J]. 地下水,2017,39(3):215-216. ~ 87 m 和走向长度 72 ~ 93 m,对应 10 ~ 110 m(对 [2]ꢀ 任ꢀ 翔,冯德润,郭学彬,等. 岩溶发育石灰石矿山爆破存在的 问题及处理方法[J]. 中国矿业,2008,17(6):77-79. 应图 5 中虚线部分),电磁波衰减吸收系数较大,大 于 10,根据巷道已揭露情况,在 0 ~ 10 m 揭露一小 型溶洞,溶洞沿铝土层发育,底部有水,是铝土层呈 现出泥糊状,由此推测在 55 ~ 87 m 的异常区,可能 发育有小型断裂构造或者岩溶发育。 [ [ [ 3] ꢀ 时永志,吕国芳,宋ꢀ 锋,等. 高铝黏土矿勘查开发问题分析 J]. 中国矿业,2015,24(7):8-10. 4]ꢀ 宋ꢀ 煜. 云南会泽铅锌矿区深部岩溶水特征及矿井涌水预测 D]. 昆明:昆明理工大学,2016. [ [ 5]ꢀ 郭维君,崔晓艳,陈学军. 泗顶铅锌矿区岩溶塌陷成因及治理 对策分析[J]. 金属矿山,2009(12):41-43. 从图 4 和图 5 中可知,因瞬变电磁法和无线电 波透视法成果图的计算方式不同,反应的目标地质 情况也会有差别,瞬变电磁主要探测地层的含富水 [6]ꢀ 胡宏清. 喀斯特煤矿山矿井突水预测及水害防治研究[D]. 贵 阳:贵州大学,2007. (下转第 51 页) 4
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号