钻孔探测与TRT技术在铜坑矿采空区中的应用

潘桂海 胡建华

(1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

钻孔探测与TRT技术在铜坑矿采空区中的应用

潘桂海1,2胡建华2

(1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

采空区是矿山重大灾害源之一，不同性质的采空区采用不同的探测方法。以铜坑矿既有采空区为研究对象，在已知采空区中采用钻孔探测法，实时监测空区顶板的发展，为安全处理采空区提供依据；对于未知采空区，采用TRT地质超前预报技术进行探测，直观反映工作面前端地质情况，指导施工工作。应用结果表明，钻孔探测法与TRT地质超前预报技术在铜坑矿空区探测中是切实可行的，与声发射数据、工程揭露情况一致，为铜坑矿处理采空区提供了技术参考。

采空区 TRT技术 钻孔探测

采用空场法的地下矿山会留下规则或不规则的空区，随着开采范围的扩大，逐渐形成复杂的空区群。同时受民采影响，留下大量的隐伏采空区。这些采空区中预留的矿柱在采动过程中不断受到地应力扰动，逐步破碎垮落，致使空区群连成一片。因此，采空区若长期不处理，或者仅用留矿柱支撑等不当的处理措施，将诱发顶板垮塌乃至矿震等矿山地质灾害。为保证矿山持续安全生产，必须探明采空区，并长期观测和妥当处理。

1 空区探测方法

1.1 直接预报法

对于已知、简单的采空区，可以利用既有的采准和开拓工程采用直接预报法进行探测，如钻孔探测、三维激光扫描仪测量等。

钻孔探测可以应用于采空区周边布置有巷道工程的已知采空区，直观地了解钻探点的空区位置，进而推测出空区的大至轮廓线，并利用空区顶板探测孔的变化，实现对空区垮落情况的定期跟踪，为人员通行及空区处理提供安全预警。

三维激光扫描仪测量可以应用于具备巷道工程或钻孔通达空区内部的采空区，实现对空区的三维探测，扫描范围为1 000 m，测量精度达8 mm，数据经矿业三维软件处理后形成精准的空区三维模型，获取采空区空间位置、大小、形状、实际边界等信息，可切割任意剖面图，从而为矿山实施空区安全管理和处理奠定基础[1]。

1.2 物探法

对于无巷道工程直接通达和不确定位置的隐伏空区，采用物探法摸底排查是最有效的探测方法。物探法主要分为微重力法、直流电法、瞬变电磁法、高密度电法、地震波法等[2-3]。主要原理是不同介质对重力、电流、地震波等具有不同的反馈值，通过对收集的数据进行分析，进而了解测定区域的地质体性质(空区、软弱带、破碎带、断层、水体等)、位置及规模等。

2 工程概况

铜坑矿位于广西南丹县大厂镇境内，矿山开采对象主要包括上部细脉带矿体，中部及下部的91#、92#矿体，三大矿体位置在空间上呈立体重叠分布，地质赋存条件复杂。经过近30 a的开采，上部急倾斜的细脉带和中部似层状的91#矿体已开采殆尽，下部矿体的开采技术条件愈加复杂，92#矿体为现开采的主矿体。92#矿体赋存于硅质岩中，岩石层理发育，岩层单层厚1～5 cm，单层内纹层厚1～5 mm，硅质岩性脆；顶板围岩为宽条带灰岩、泥灰岩及部分硅质岩，宽条带灰岩、泥灰岩厚15～20 m，单层厚3～10 cm，底部有3 m左右的泥灰岩，单层厚20～30 cm；构造结构面主要为节理和断层，对矿体稳定性影响大，常造成采空区冒顶。

铜坑矿采用无底柱分段崩落法、组合崩落法、空场嗣后充填法等多种采矿方法，且深边部区域有大小、形状不规则的民采空区和巷道。为保证生产作业安全，在布置开拓、采准工程前必须对民采空区进行探测、处理，避免出现透水、垮落冲击等事故。

3 空区探测技术的应用

3.1 钻孔探测及采空区处理

钻孔探测作为最简单、最直接、最有效的空区探测、观察手段，普遍应用于铜坑矿正常回采的空区，结合声发射等地压监测系统，有效实施空区顶板垮落情况的观察分析。

T415采场位于204#～206#线，垂直标高为405～455 m水平，采用分段空场嗣后充填法回采，采场长67 m，宽15 m，暴露面积为1 005 m2。回采完毕后在455 m水平先利用开拓、采准废石充填，后期采用全尾砂胶结充填接顶。在采准期间布置2个充填井，采场爆破完毕后在455 m水平布置3个探测孔对顶板垮落情况进行观察，以保证充填作业安全。探测孔布置见图1。

图1 探测孔布置示意

该采场于2014年6月中旬爆破回采，8月底出矿完毕，9月初施工好探测孔并进行废石充填作业。7月初至8月底，随着爆破回采的推进，顶板跨度不断增大，由声发射统计数据可知，爆破震动使得采场内岩音增多，顶板、边帮、块体松动、垮落，9月初停止爆破后，地应力重新分布，顶板层理及裂隙受拉应力的作用逐步张开，经过2个多月的冒落形成冒落拱，达到新的平衡，声发射装置收集到的数据明显减少(图2)。

经现场观测，在4个多月的充填时间内，空区顶板垮落量不大，垮落主要集中在回采爆破结束后的2个月内，主要原因是采完后空区地应力重新分布，待顶板垮落至应力平衡拱位置后，垮落量逐渐减少，与声发射数据相吻合。探测孔观察数据见表1。

图2 T415采场声发射数据

表1 探测孔观察结果

3.2 TRT空区探测

由前期探矿工程揭露情况可知，铜坑矿北部存在大量大小不一、形状不规则、空间位置复杂的民采空区和巷道[4]。为了解复杂空区群的具体位置，对该区域采用地震波地质超前探测。

3.2.1 TRT基本工作原理

TRT采用地震波探测法，技术原理是当激发的地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，了解巷道工作面前方地质体的性质(空区、软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模等[5-6]。其原理见图3。

3.2.2 351 m水平探测结果及分析

351 m中段探测点布置见图4。

根据TRT数据处理后得到的成像结果(图5)解译分析如下：

(1)从图5(a)可以看出，在震源点前方50～ 70 m 范围内存在一个集中的负反射区域。结合图5(b)看，破碎带在该位置很有可能存在一空区。351m沿脉巷道掘进中的涌水可能存在于该位置。

图3 地震波探测法原理

图4 351 m水平探测点布置

图5 351 m水平探测数据处理结果

(2)震源前方80～120 m范围内存在2块异常反射体，离震源较近的一块负反射体区域较小，而较远的一块负反射区域较大，推测可能存在破碎带构造，可能为采空区及采掘活动引起的破碎带。351 m水平探测结果解译见图6。

图6 351 m水平探测结果解译

后期对探测区域前端开挖表明，离震源点前方50～120 m处存在多个形状不规则的民采空区和巷道，与TRT超前探测解译分析情况相吻合，揭露的民采空区平面位置见图7。

图7 325～345 m水平揭露的民采空区及巷道平面

采用TRT超前探测技术，为矿山危险区域掘进提供了基础的工程地质资料，通过加强施工过程管理控制，避免了透水事故的发生。并通过放顶处理和布置底部出矿堑沟再造等工程对民采巷道进行处理，实现回收矿石和处理空区的目的。

4 结 论

通过对铜坑矿T415采场空区采用直接预报法，在采场顶部施工探测孔，对空区顶板垮落情况进行实时观测，为空区顶部开展充填作业提供安全保障。对于铜坑矿深边部有可能存在不明民采空区的区域，在进行开拓、采准设计前，采用TRT超前探测技术，探明前端地质情况，为采空区处理方案设计及施工提供指导依据。铜坑矿对不同性质的采空区采用不同的探测方法，既避免了人力、物力、时间的浪费，也为安全处理空区提供基础资料，保证了矿山安全生产。

[1] 张朝雷，宋卫东，付新建，等.CMS及三维可视化技术在采空区探测中的应用研究[J].现代矿业，2011(4)：95-97.

[2] 朱宝金，郝志东，张引良，等.采空区探测及处理[J].露天采煤技术，2002(3)：39-40.

[3] 鲁 辉，薛云峰，胡韦华.采空区的特征与探测技术研究[J].水利规划与设计，2014(2)：27-33.

[4] 刘敦文，古德生，徐国元.地下矿山采空区处理方法的评价与优选[J].中国矿业，2004，13(8)：52-55.

[5] 付水法,郭素芝.TRT地质超前预报技术的研究应用[J].金属材料与冶金工程,2012,40(2):80-84.

[6] 高 峰，周科平，周炳仁，等.基于TRT技术的矿山井下地质超前预报[J].中国安全科学学报，2014，24(4)：80-85.

2015-05-30)

潘桂海(1989—)，男，助理工程师，547207 广西自治区河池。