井下铁矿巷道掘进工作面超前预警探测

刘殿军 贾三石 王恩德 宫国慧 丛桂新 陈继宏

(1.鞍钢集团矿业公司井下铁矿，辽宁 辽阳 111000；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.中钢集团天津地质研究院有限公司，天津 300061)

井下铁矿巷道掘进工作面超前预警探测

刘殿军1贾三石2王恩德2宫国慧1丛桂新3陈继宏1

(1.鞍钢集团矿业公司井下铁矿，辽宁 辽阳 111000；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.中钢集团天津地质研究院有限公司，天津 300061)

金属矿山井下巷道施工过程中掌子面前方的地质条件复杂多变，尤其存在采空区或含水采空区时，安全危害极大。为保障矿山开拓巷道施工安全高效，进行相关的超前预警探测研究显得非常重要。为此，利用最新型的瞬变电磁法测量设备，使用自制多匝-超多匝重叠小回线测量装置，采用扇形布点的数据采样方式，运用多种数据处理解译方法，在井下铁矿-10 m中段掘进巷道掌子面前方成功发现含水破碎带和遗留老旧采空区。其成果表明井下瞬变电磁法可以实现金属矿山掘进巷道掌子面的超前预警探测，为金属矿山安全生产提供技术保障。

井下瞬变电磁法 铁矿床 超前预警探测 重叠小回线 巷道掌子面

人类社会的进步与发展离不开对矿产资源的开发与利用，而随着地表矿产资源的持续开发，易采矿产资源越来越少，采矿活动逐步由地表、近地表的露天开采向深井发展。井下开采不可避免的遇到巷道掘进工作，掘进中断层、涌水、坍塌等地质灾害影响作业安全，进而提高生产成本，特别是掘进过程中遇到一定历史时期遗留的采空区或充水采空区，安全危害极大。因此，如果可以提前发现掘进巷道掌子面前方地质情况，预测断裂充水带或采空区的存在，实时调整巷道掘进工艺，并采取对应的安全预防措施，不但可以保障生产安全，而且还会大大降低施工风险和掘进成本，实现危险因素的超前预警探测[1]。

超前预警探测最早应用于煤矿涌水作业面和隧道的超前地质预报，并取得了不少研究成果[2-5]，但对于金属矿山的应用，特别是铁矿山的应用还是一个空白。为此，本研究以井下铁矿巷道的超前地质预警探测为实例，以最新研发的瞬变电磁法设备TerraTEM为基础，采用自制的多匝-超多匝重叠小回线装置，开展瞬变电磁法在铁矿山采空区超前预警探测中的应用研究，为安全高效的井下铁矿山采掘工作提供技术支撑。

1 井下铁矿掘进巷道超前预警探测基本原理

瞬变电磁法，通常采用的是半空间域探测的地面时间域电磁法，它具体是采用不接地回线装置或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间使用线圈或接地电极等装置观测二次涡流场。基本原理是电磁感应定律，其衰减过程一般分早、中和晚期等3个场，早期场主要相当于频率域中的高频成分，衰减快而趋赴深度小，晚期场则相当于频率域中的低频成分，衰减慢而趋赴深度大。此方法具体就是通过测量断电后不同时间段的二次场随时间的变化趋势，以得到不同探测深度的地电特征，来反演得到不同深度的地质分布情况，从而达到解决工程地质问题的目的。

相比于地面瞬变电磁法，井下瞬变电磁法的探测基本原理与其一致，即开始地球物理测量时架设线圈使其法线方向对准井下铁矿掘进巷道中所要探测的掌子面前方，后在发射装置中通以阶跃电流并瞬间关断后，任一时刻发射装置前方的涡旋电流在发射位置处产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场，被地球物理学家形象的称之为“烟圈效应”[6-7]。从上述效应可知，井下瞬变电磁法早期瞬变电磁场反映的是浅部介质的地电特性分布，其晚期电磁场反映的是深部介质的地电特性分布。地球物理探测过程中，如果按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就可以得到二次场随时间衰减变化的特性曲线，把发射电流归一化后成为V(t)/I特性曲线。因此，探测巷道掌子面前方一定距离内岩层的电性变化情况可依据接收到电场电动势随时间的衰减变化规律而得到，这样就达到掘进巷道掌子面超前探测目的。

由于井下铁矿瞬变电磁法应用过程中，地球物理测量存在由半空间到全空间的转变，存在特有的“双烟圈效应”(如图1)，一时间引起探测方向的难以确定的问题。但大量的井下探测理论研究和超前预警应用研究表明井下瞬变电磁法探测结果主要反映主探测方向前方一定距离内的介质电性变化情况[8]。

关于井下瞬变电磁法的视电阻率计算，主要采用井下瞬变电磁法全空间域视电阻率计算公式[9-11]：

(SN)2/3×(V/I)-2/3t-5/3,

(1)

式中，C为全空间响应系数；S为接收回线线圈面积；N为线圈匝数；t为二次场衰减时间；V/I为归一化电位值。

图1 井下瞬变电磁法“烟圈效应”

2 井下铁矿掘进巷道超前预警探测技术方法

由于井下铁矿巷道掘进工作面探测空间狭小，为满足探测精度和距离的需要，井下瞬变电磁法多采用边长1～2 m的多匝-超多匝重叠小回线测量装置(见图2)[12]，探测中通过不断增加探测发射装置和接受装置的线圈匝数来不断增大发射磁矩和有效接收面积来不断提高信噪比，进而满足井下铁矿掘进巷道掌子面前方不同探测距离的要求。具体实施过程是沿掌子面前方，先紧贴巷道左侧壁向掌子面，再向右侧壁呈扇形路径逐点测量，最终获取掌子面前方及两侧不同距离内地电特征分布情况。

图2 井下瞬变电磁法探测装置

在井下瞬变电磁法探测过程中，由于铁矿体为低阻，一定程度上影响探测距离，这时可适当通过不断增大发射线圈电流和接收线圈采样时间来探测掘进巷道掌子面前方及两侧不同距离内的地电异常分布特征。对现场采集到的瞬变电磁法测量数据，第一步进行数据整理和数据预处理工作(剔除数据异常点、电动势曲线剪切和数据滤波增强处理)，消除各类因素导致的数据畸变；第二步，根据探测区已知地电特征，建立反演模型；第三步，依据反演模型，对测量处理数据进行视电阻率反演计算，并进行相关的时间-深度转换，并绘制带有探测距离和视电阻率值的地球物理解译图件；第四步，结合探测区已有地质资料和地球物理探测资料及相关的开采情况，对地电异常解译，圈出异常区域供钻探验证。

3 研究区地质概况

研究区位于鞍本铁矿产区，为典型的鞍山式富铁矿床，赋矿地层主要为太古界鞍山群茨沟组，茨沟组为变质岩系，其由老到新分别为下部角闪岩层、下含铁层、中部钠长变粒岩、上含铁层和硅质岩层组成[13]。由于是典型的富铁矿床，研究区不同采矿中段既存在日伪时期采富弃贫遗留的空场型老旧采空区，且大多已充水，同时也存在矿产资源整合开发以前无序开采、滥采滥挖形成的成串、多层分布的面积型空区，给运输巷道的开拓和井下铁矿开采带来极大的安全危害。

4 超前预警探测实例

4.1 井下铁矿超前预警探测装置及参数设置

井下铁矿掘进巷道掌子面探测设备主要采用TerraTEM，该地球物理探测设备可设置更多的时间门，且具有很高的采样分辨率，特别是在配置增强型快速关断时间控制装置后，测量关断时间更短而使其可采集浅层地电数据，以特别适合于浅—中层地球物理测量[14-15]。

根据井下巷道掘进过程中探测区域的地质和空间条件限制，为最大限度的保证探测距离和精度，测量装置采用多匝-超多匝重叠小回线装置(40～50匝)，线圈直径1.5 m，测量发射装置电流5～7 A，发射关断时间0.10～0.40 ms，512次测量叠加，一定采样时间段内，单个测量点采样密度控制在90～100窗口实现高精度和高分辨率采样。探测流程为沿掘进巷道掌子面左侧贴壁开始测量，逐步向掌子面贴壁测量，后转向掌子面右侧贴壁测量，测量点(1～14)从掌子面左侧→掌子面前方→掌子面右侧呈扇形分布(如图3)。

图3 巷道掘进掌子面测量点布置

4.2 掘进巷道掌子面探测结果及分析研究

本次应用研究共在井下铁矿不同开拓巷道布设了6条扇形测量剖面，每条剖面测点数10～16个不等，均控制了开拓巷道掌子面前方及两侧一定距离内的地电分布特征，地球物理测量成果达到了预期研究目的，为铁矿山井下巷道开拓提供了安全技术保障。下面以井下铁矿巷道1005穿的典型超前预警探测成果为例进行分析研究(见图4)。

图4 掘进巷道掌子面超前预警探测结果

1005穿开拓巷道为井下-10 m中段，在巷道开拓过程中曾出现渗水现象，怀疑前方存在含水破碎带或充水采空区，为保安全施工，进行了超前预警探测，其中第1～4点为掌子面左壁，第5～11点为掌子面前方，第12～14点为掌子面右壁。探测结果显示(图4)，掌子面前方10～18 m处出现明显低阻异常，可推断为含水破碎带，而28 m处出现局部高阻异常，结合已有地质资料，可推断为采空区。

针对测量结果，矿山进行了钻进施工，在掌子面前方12 m打到含水的断裂破碎带，而在30 m处见到铁矿采空区，其内未含水。

由上述探测成果可知，铁矿山井下巷道掘进过程中对章子面前方及两侧进行超前预警探测是可行的，且具有方便、快捷和高效的特点。相比于传统的电法勘探，超前预警探测中测量数据——视电阻率大小的计算结果受多种因素制约，如发射线圈面积和匝数、异常体规模大小及埋深等。此外，计算视电阻率大小还与探测异常体的真实电阻率存在较大差异，且关断时间的影响而存在一定的探测盲区(本次0～5 m)，这都需要结合已有地质资料进行细致分析和解译。

5 结 论

(1)超前预警探测成果表明，井下铁矿掘进巷道掌子面超前探测不受目标体的空间限制，全空间域内也可以实现对金属矿山井下掘进巷道掌子面前方的超前预警探测，圈出潜在危险区供验证处理。

(2)采用多匝-超多匝重叠小回线探测装置的井下瞬变电磁法可以实现对工作区面全方位定点、定深和定方向灵活高效探测，不存在传统物探的探测死角和探测盲区，且具有很高的探测精度和分辨率。

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(责任编辑 徐志宏)

Advanced Early Warning Detection Ahead of Tunneling in Underground Iron Ore

Liu Dianjun1Jia Sanshi2Wang Ende2Gong Guohui1Cong Guixin3Chen Jihong1

(1.Underground Iron Mine of Angang Steel Group Mining Company,Liaoyang 111000,China;2.School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3.Sinosteel Tianjin Geological Academy,Tianjin 300061,China)

During the underground tunnel construction process of metal mines,the geological conditions in front of tunnel face vary widely,especially when the goaf or the water-containing goaf occurs,resulting in great safety hazards.In order to ensure the safety and efficiency of mine roadway construction,the advanced early warning research is much needed.Therefore,water bearing fracture zone and goaf left in front of roadway tunnel face in the underground mine -10 m middle are found by adopting the upgraded TEM equipment together with the self-made multi-turn or over multi-turn small coincident loop measuring device,through the sector positioning data sampling method,and using multiple data processing and interpretation method.The results showed that the mine TEM method can be applied in advanced warning detection of roadway tunnel face in metal mines,and can provide technical guarantee for the production safety of metal mines.

Underground TEM,Iron ore deposit,Advanced early warning detection,Small coincident loop,Roadway tunnel face

2014-09-07

刘殿军(1973—)，男，高级工程师。

P319，X936

A

1001-1250(2014)-11-147-04