论地质超前预报技术在广西大新锰矿的应用

潘承武,林 武

(1.中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁 530022；2.广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

1 工程及地质条件概况

广西大新下雷锰矿是一座上泥盆统沉积型碳酸锰矿床,隶属中信大锰矿业有限责任公司,位于广西壮族自治区大新县下雷镇境内。矿区位于广西左江流域,地势复杂,属低山丘陵地形,半裸露型岩溶地貌[1]。地质构造为一近东西向,向西翘起的向斜构造,矿区内褶皱、断裂均很发育。主要岩性为灰岩、硅质灰岩、硅质岩、泥岩。目前的开采方式是由露采向地下开采转型的过渡期,正处于60万t/a碳酸锰地下开采井巷工程的基建中,基建工程总量为27 578 m/249 581.53 m3[2]。由280 m排水平峒、280 m中段、220 m中段运输大巷和竖井、斜井等单项工程组成。

2 超前地质预测和预报的方法及优缺点

大新锰矿60万t/a碳酸锰地下开采井巷工程设计的有关地质资料大多是利用地面勘探、地质调查、钻孔测量和地球物理勘查方法获得,而受工程地质条件和水文地质条件复杂多变性和目前勘查技术水平的局限性影响,要想在施工前查明井巷工程中不良地质体所处位置、状况十分困难[3]。超前地质预报技术作为一种地质勘察方法在诸多井巷工程施工中作为补充勘察有了愈来愈多的应用,它可以进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的不良地质体,如地质构造、岩溶、含水层、软弱岩等等[2]。在井巷工程施工中针对性地采取预防性措施,如变更设计支护参数、预注浆和加固、优化施工方案等,从而减少和避免灾害性地质现象的发生,确保井巷施工安全。因此,对不良地质体进行超前地质预测和预报具有极其重要的意义。

2.1 地质素描法(又称掌子面编录预测法)

基本原理：对揭露出的掌子面和巷道两壁一顶进行地质编录,编录的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护方法等。利用地质理论和作图法,将巷道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、溶洞等准确记录下来,经过一系列运算并绘制成图表,结合一些不良地质体的前兆标志资料分析整理,进行巷道掘进面前方地质条件的预测预报。地质素描法的优点是该方法理论基础牢固,设备简单,操作方便,不占用工程施工时间,提交资料及时,费用低；是井巷工程地质工作全过程的重要一环,是收集竣工资料的一部分。缺点是预报范围有限,对巷道前方未揭露的不良地质现象容易漏报,特别是在地层岩性变化极为复杂的工程中预报的准确率不高。

2.2 超前地质钻孔法

基本原理：利用钻机(例如：ZQS-110B型潜孔钻和 KD-100型岩心钻)在巷道掌子面进行水平地质钻探获取前方几十米地层的岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等地质资料的一种地质超前预报方式。钻探后经过对钻探资料进行整理分析,包括：钻进速度、孔内情况、涌水量、岩芯描述等,分析、判断不良地质体的位置。它的优点主要有：可以比较直观地反映巷道掌子面前方的基本地质情况,如地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、可以精确预测出水点位置、涌水压力、大小等；准确度高,与物探方法相比,它具有直观性、客观性,不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性；可以起到排水的作用。缺点主要有：钻孔方向、倾角不易控制,成本费用高且需要停止掘进面的掘进作业,占用施工时间长；探孔的覆盖范围有限,且资料只是一孔之见,对掌子面的点状出水(如岩溶管道)可能钻探不到；在复杂地质条件下预报效果较差,很难预测到掌子面前方的小断层和贯穿性大节理,与巷道轴线平行的结构面也反映不出来。

2.3 加密浅孔超前探测法

基本原理：利用风钻在巷道掌子面上钻小孔径的浅孔获取地质信息的一种方法,经过打浅孔时观察所有浅孔的出水出渣情况、掌子面的渗漏情况来进行超前预报。它是超前地质钻孔的一种重要补充,因其数量较多,与超前地质钻孔相比,它具有设备简单、操作方便、费用低、占用巷道施工时间短,可与爆破孔同时操作,只不过在掌子面中心、顶部、左右边壁、底部等主要部位布置钻孔,其钻孔深度较爆破孔超前2 m,使钻孔探测深度总是超前每循环爆破进尺2 m,保证施工安全。缺点是孔浅,预报范围有限,且不能取岩芯。

3 超前地质预测和预报的应用及建议

根据大新锰矿工程地质设计资料,60万t/a碳酸锰地下开采井巷工程在施工中不可避免地要部分通过风、氧化带的极不稳固的松散岩石和水文、地质构造复杂地段,在经过这些地段和工程施工中临时出现不良地质预兆时进行地质超前预测、预报。虽说地质素描法、超前地质钻孔法、加密浅孔超前探测法是地质超前预测、预报技术最基本的方法,但简单、实用。例如280 m排水平峒单项工程,全长1 770 m,净断面7.72 m3[1]。通过对资料分析预测：平峒巷道施工掘进到泥盆系中统的东岗岭组中厚层状灰岩地段内,特别是900～1 300 m段时,有可能会遇到布康溪汇入的地下暗河、溶洞或是裂隙与溶洞、地下暗河联系引起的巷内突水。为保证施工安全,本着“有疑必探,先探后掘”的方针,从890 m起用加密浅孔(YT-28型风钻)超前探测。在掘到922～933 m段时,地质编录发现在巷道内灰岩岩石节理发育,大部分微张,少部分张开。裂隙大部分被黄泥质粘土充填,粘土湿,可塑,岩石面上有溶蚀现象且被切割成大块状或块石状,特别是后5 m段,巷道内的岩石稳固性、完整性差,见有轻度渗水、线状流水且有岩块从顶、旁帮上掉落。随即改用超前地质钻(ZQS-110B型潜孔钻)辅以加密浅孔进行超前地质探测,以超前钻探50 m掘40 m为一个循环进行,并根据每一次循环的钻探资料(如表1所示)整理分析后进行地质预测、预报。

表1 钻孔施工记录表

从表1可以看出：933～936.5 m为裂隙—岩溶地段,岩石节理发育,破碎且易掉落,岩石大多呈灰—灰白色,层面为泥化夹层。泥化夹层为黄—黄褐色粘性土,呈可塑～软塑状,厚度数毫米至数厘米不等,有的可达20 cm。局部地段还有轻度渗水、线状滴水。开挖时应密切注意泥化夹层和节理的失稳破坏。936.5～939.8 m为溶洞,洞内可能有砾石、粘土类物质等充填物,大小不详,有水。开挖时应密切注意碎屑流[4]及涌水。939.3～956.9 m为裂隙—岩溶地段,岩石节理较发育,破碎且易掉落,岩石大多呈灰—灰白色,层面间为泥化夹层。泥化夹层为黄—黄褐色粘性土,呈可塑～软塑状,厚度数毫米至数厘米不等,局部地段还有滴、线状滴水。956.9～959 m为溶洞,洞内可能有砾石、粘土类物质等充填物,大小不详,少量水。959～967.3为裂隙—岩溶地段,岩石节理较发育,破碎且易掉落,岩石大多呈灰—灰白色,层面间为泥化夹层。泥化夹层为黄—黄褐色粘性土,呈可塑～软塑状,厚度数毫米至数厘米不等,局部地段还有滴、线状滴水。967.3～983 m为灰岩段,岩石节理不发育,岩石大多呈灰—灰白色,无水。根据对开挖后的跟踪调查与验证,预测情况基本正确,分别在936.8～939.9 m和956.9～959 m有3m×6.2m×7.1m和1.9m×12.8m×8.4m的充填型溶洞,在951.2～952.3 m拱肩处有一个0.5 m×0.8 m×0.4 m的小溶洞。没有出现井巷内大突水。随后在983～1 293 m地段内进行了8个循环探测,掘进揭露后经调查与验证均与提供的预测、预报情况基本相符吻合。但也存在个别漏报和误差等情况,主要原因是工程技术人员对于不良地质体的认识与判别存在主观偏差；操作工人操作机械水平不高以及勘测、分析的技术方法太单一、探测结果的多解性等等。因此,在以后的工作中,应加强基础资料收集、整编、分析判断的能力,提高操作工人操作水平,合理制定探测方案,综合利用多种勘测技术方法,互相补充和验证预测结果,为今后地质预报探测资料的分析提供借鉴,减少漏报和误差,提高其准确率。另外要切实做好掘进工作面的地质跟踪,对可能发生地质灾害的地段及时发出预警预报,实现地质预报的目的。

5 结语

实践证明,在大新锰矿地采工程中运用地质超前预测、预报技术取得了较好的效果。在工程建设中,尽管存在对施工一定的干扰且工序复杂和漏报等情况,但也成功地预测了5a线斜井西主运输巷和西采准巷的强风化、氧化破碎带及340 m中段左3回风巷的水文、地质构造复杂地段的不良地质体,使施工技术人员在施工中做到心中有数,提前采取施工措施,从而有效控制地质灾害的发生,降低施工风险和成本,提高掘进速度,为施工单位赢得经济和社会效益。

[1]王建新,杨家谦.广西大新县下雷矿区南部碳酸锰矿详细勘探地质报告[R].南宁：广西第四地质队,1985.

[2]王天凤,刘启明,高金凤,等.中信大锰矿业有限公司大新分公司60万t/a地下开采工程方案设计[R].长沙：中冶长天国际工程有限责任公司,2006.

[3]王艳芳.超前地质预报在大瑶山隧道施工中的应用[J].公路交通技术,2007,(5)：88-91.

[4]中国科学院地质研究所,铁道部隧道工程局.军都山隧道快速施工超前地质预报指南[M].北京：中国铁道出版社,1990.