基于TEM的铁矿灰岩富水区探放水综合治理研究

孙玉学 张庆松 王凤刚 刘衍凯 李 壮 周 政

（1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061；2.济南力稳岩土工程有限公司，山东济南250061）

近年来，由富水区引起的矿井突水，甚至是矿井垮塌等灾害时有发生。富水区一般水压大、范围广，若处理不当极易发生突水灾害。矿山突水灾害具有时间短、水量大、破坏性强的特点［1］，一旦发生很难控制，对矿井安全生产带来了极大威胁。因此，安全高效的探放水技术对于矿山富水区治理显得尤为重要［2］。

目前，针对富水区的探放水技术主要分为钻探技术和物探技术两类。钻探法主要是根据已有地质资料和巷道掘进时所揭露的地质情况，利用传统井下钻探设备和工艺，采用定向钻探技术对富水区进行探水和放水［3-6］。但传统的定向钻探技术因其不能实时纠偏、钻孔深度小、钻孔效率低，制约着探放水技术的发展［7-9］。物探法主要有瞬变电磁法、高分辨电阻率法、直流电法、音频电穿透法、瑞利波法、钻孔雷达法等［10］。其中，瞬变电磁法具有对低阻异常体反应灵敏、方向性强、体积效应小、工作效率高和成本低等优点［11-16］，在富水区探测中应用广泛。但也因其对低阻异常体反应灵敏，外界低阻体对其干扰强烈，使得瞬变电磁法多用于如煤矿等外界低阻体干扰小的富水区探测，并且大多在巷道中进行，以减小金属设备等外界低阻异常体的干扰［17-21］。铁矿内的矿体和水体本身都为低阻体，常规瞬变电磁法对两者区分困难，因此鲜有使用瞬变电磁法针对铁矿富水区进行探放水实践。

本研究采用大功率瞬变电磁法对某铁矿灰岩富水区进行探测，根据瞬变电磁法探测结果，与现有地质资料和实际钻探数据揭露的地质情况相互印证、补充，进行探放水方案设计，并通过连通性试验，验证探放水方案的合理性，优化设计方案，提高探放水治理的可控性，最终提出了一套针对铁矿富水区的以大功率瞬变电磁法与地质资料和实际钻探情况相结合的综合探放水技术。

1 工程概况

某铁矿区由东（II号）、西（I号）两条矿体及少量零星矿体组成，地表无河流通过，无汇水体，矿体埋深为-200～-430 m，生产中段水平为-200～-360 m。矿区为典型的岩浆岩侵蚀形成的矽卡岩型矿床，主要赋水与导水岩层为大理岩，主要导水通道为构造应力作用下形成的断裂、裂隙与破碎带。区内闪长岩与大理岩相互交错，在构造应力作用下，闪长岩与大理岩交接带处形成了具有一定空间展布范围的破碎带与蚀变带。破碎带自身即为导水的主要通道，并为大理岩的岩溶发育提供了良好条件，致使在该交接带内形成了由大理岩强岩溶带、闪长岩破碎带、蚀变破碎带三者共同组成的富水区和水力导通带，水头压力最高达3.2 MPa。根据前期勘探数据，矿区钻孔的单位涌水量平均为5 L/（s·m），最大达23.81 L/（s·m），最小为0.068 L/（s·m），渗透系数平均为20 m/d，最大达38.17 m/d，最小0.08 m/d。矿区奥陶系下统白云质灰岩的岩溶裂隙也较发育，富水性强，导水性好，钻孔的单位涌水量为1.6～2.2 L/（s·m），渗透系数为3.39～9.69 m/d。奥陶系中下统灰岩在区域的出露面积大，地下水补给充沛，加之本身岩溶裂隙发育，因而其中蕴藏了大量的地下水。

由于奥陶系中统灰岩（变质成大理岩）是矿层的直接顶板或底板，在富水区积水的长期作用下，极易发生突水灾害，对矿山安全开采形成了很大威胁。本研究运用大功率瞬变电磁法探测富水区域，将工程地质资料和实际钻探结果与瞬变电磁法探测结果进行验证、补充，确定探水治理方案，并对不同富水区域进行连通性试验，验证探放水方案的合理性，提高探放水治理时的可控性，对处于导水通道并且存在安全隐患的区域及时治理，保证矿山安全生产。

2 瞬变电磁法探测

根据已有地质资料和前期施工情况，本研究瞬变电磁探测的目标深度约600 m，根据传统的瞬变电磁勘探流程，需要在地面布设600 m×600 m的发送回线，但由于工区地表建筑物的影响，实际布设范围无法达到600 m×600 m。根据现场实际踏勘资料，在现场布置边长为300～400 m的发射回线框，通过改进勘探目标参数实现600 m×600 m左右富水区域的探测。

2.1 勘探目标参数正演计算

瞬变电磁法主要利用电磁波进行勘探，地质体的导电性质决定了探测的精度，在铁矿中矿体和水体同属于低阻导体，在使用瞬变电磁法探测时，信号虽然强烈，但由于周围存在岩石等高阻导体，导致矿体和水体电阻率远远小于岩石电阻率，造成瞬变电磁法对矿体和水体区分不明显，使得在探测富水区域时会出现因矿体的强烈干扰出现对富水区的误探、错探问题。对此，本研究提出了一种可区分矿体和水体的瞬变电磁收发射模型。该模型基于层状大地模型进行瞬变电磁测深的正演计算确定合适的工作装置，如图1所示。正演计算中，采用层状大地模型进行瞬变电磁测深，分别考虑了矿体、水体对探测结果的影响，达到区分矿体与水体的目的。

根据矿区的基本地质资料和以往的钻探数据，抽象概化了表1所示的5组正演模型。

模型分为两类，模型1、模型2和模型3均为不包含矿体的模型，主要考察埋深600 m左右含水层的电性情况以及含水层厚度对探测结果的影响。模型4和模型5采用了前述3个模型中异常相对明显的2组，然后在发射线框一角处包含矿体，主要考察矿体的存在对瞬变电磁探测的影响。

矿区矿体属于矽卡岩伴生的铁矿，矽卡岩的电阻率一般非常高，属于高阻导体；矿体和水体同属于低阻导体，但两者电阻率有差别。由于矽卡岩的存在使得矿体和水体的电阻率远远小于矽卡岩电阻率，导致瞬变电磁探测结果对矿体和水体区分不明显。因而对于矿体区域的建模采用等效参数法，将电阻率非常低的高品位矿体与电阻率非常高的矽卡岩进行等效，对矿体区域统一采用50 Ω·m的电性参数；普通自来水的电阻一般在50 Ω·m左右，但本区域的水质较好，含矿物质丰富，是某矿泉水的采水区域之一，矿化度高，游离离子丰富，因而水体的建模参数分别采用10 Ω·m和20 Ω·m。经过对上述模型统一计算后，如图2所示，模型1、2、4、5中每层电阻率变化不大，不同层之间电阻率过渡区小，不同含水层分界明显，能够非常明显地反映出不同电阻率的水体以及含水层厚度；模型3电阻率整体上分布较均匀，不同层之间电阻率过渡区大，能够大致反映出不同电阻率的水体，但含水层厚度区分不明显。因此对于给定探测深度的目标，利用模型4和5的电性参数，采用300 m的方形回线框能够探测到，并且在增大电流的情况下，得到的信号强度和信噪比也能够满足要求。

2.2 瞬变电磁法现场探测

根据前期现场实地考察结果、矿区地质资料以及地面参考物位置，共设计布置2个大回线发射框，框内布置接收点阵列，按照8 m×8 m的网格进行设计，共设计了测线30条，每条测线布置测点30个，每个发射框内共布置了900个观测点。实际施工时可根据现场实际情况调整观测点位置并通过GPS定位记录点位坐标。

本研究采用手持亚米级GPS Trimble GeoExplorer 2005进行探测。将设计的所有测点坐标传输到手持GPS Trimble GeoExplorer 2005中。放样过程中所有物理点平面位置放样误差一般不大于1 m，对于复杂地形或建筑物造成的测点偏移会在GPS中记录下实际坐标点并在实际材料图中绘出。

在确定了物探测点的基础上进行线框敷设，使用GPS结合地形图确定出发射回线的4个角点，敷设发射线框，其物探测点的确定及线框敷设精度满足工程物探测量要求。测点高程以各测线的方式给出。针对不同的发送频率、发送电流、叠加次数等情况下的数据进行计算观测，并根据试验结果选定工作参数。

根据探测目标深度及地表条件，在地面布置了350 m×350 m的方形发射回线，发射电流为20 A，采用等效接收面积为10 000 m2的低频磁探头进行信号采集，根据前期设计，共布置了2个发射框进行探测。在每个发射框内分别布置了测线30条，测线间距5 m，每条测线设计测点30个，测点间距5 m，共设计了900个测点。由于实际地表存在部分无法到达的测点，野外实际施工过程中，北侧测区实际完成测点670个，南侧测区实际完成测点820个。

2.3 探测结果分析

通过对探测结果数据的处理与分析，得到了探测区域的三维电性分布情况，经过对目标深度的切片显示得到了不同深度的电性分布情况，结合瞬变电磁收发射模型的分析，在激化极化反应剧烈的区域存在不同程度的低电阻率异常，可由此确定水体范围。

水体与矿体相对于围岩的电阻率低，因而水体与矿体表现出类似的电性特征，通过对上述瞬变电磁收发射模型的分析，对探测范围内矿体统一采用50 Ω·m电性参数，对水体统一采用10 Ω·m和20 Ω·m电性参数。根据探测结果切片显示，处于50 Ω·m电性参数的区域属于矿体可能存在的区域，电性参数为10～20 Ω·m的区域极有可能是水体存在区域。在目标深度上标识出了可能存在水体的范围，即在探测区域下部-500～-600 m水平，两个测区均存在低电阻率异常，其具体位置坐标可以通过经纬度网格确定，推断为含水体，并圈定了富水区位置，如图3所示。

根据瞬变电磁法勘探结果，在探测区域下部-500～-600 m水平，南北两个测区均存在低电阻率异常，推测为富水区的可能性极大。由于瞬变电磁法探测后的目标深度已知，结合矿区不同水平面结构物分布图，可将富水区投影至已有结构物平面，便于后期探放水方案设计。

从瞬变电磁法确定的富水区与矿区已有结构物分析对比可知，在-200 m水平的原1#注浆硐室、老钻孔71-12附近，深度为-550～-570 m区域瞬变电磁信号异常强烈，判断为富水区；-240 m水平的ZSK1硐室和ZSK2硐室附近区域，深度为-550～-580 m区域瞬变电磁信号异常强烈，判断为富水区。此外，由于某些区域受到地表场地限制，瞬变电磁法无法探测到，根据地质资料和实际钻探数据判断原8#钻探硐室附近也极有可能为富水区（图4）。

3 探放水治理工程

3.1 探放水方案设计

根据矿区地质资料、前期注浆堵水工程各钻孔揭露涌水情况及岩芯编录结果，并结合瞬变电磁法探测结果，确定在-200、-240、-360 m水平开展探放水工作，共施工了5个钻孔。探放水孔优先选择-240 m水平，如果放水量不足，再考虑-200 m水平。当-240 m、-200 m两个水平涌水量都不能满足设计要求时，选择在-240 m以下水平进行施工。在探放水孔安装高压大流量涌水钻孔安全系统［22］，加强探放水施工时的可控性，防止钻孔内水压过大或喷出高压水，保证安全施工。探放水完成后，必须将全孔进行注浆封堵，保障探放水孔以下采矿生产的安全进行。

（1）-200 m水平探放水孔设计。-200 m水平探放水孔由两部分组成，包括原1#注浆硐室、老钻孔71-12附近探放水孔（图4（a））。原1#注浆硐室区域内奥陶系灰岩含水层（O1灰岩）裂隙发育，含水丰富。根据前期钻孔数据可知，+4-1孔的终孔深度为-487.9 m，+4-2孔的终孔深度为-398.7 m，两孔都处于O1灰岩内，并且钻孔的涌水量都不低于5 000 m3/d。瞬变电磁法探测结果显示在+4-1孔和+4-2孔周边范围深度为-550～-570 m区域信号异常强烈，判断为富水区，故在区域内布置一个探放水孔。根据地质资料分析，老钻孔71-12附近区域-580 m以下全部为奥陶系灰岩含水层（O1灰岩），含水丰富，已揭露的老钻孔71-12的终孔深度为-599.1 m，且最初涌水量不低于2 000 m3/d，老钻孔71-12孔在-222.4～-222.7 m深度为蚀变闪长岩，分析可能是该段蚀变闪长岩造成钻孔堵塞，使得揭露的涌水量前后突变很大。瞬变电磁法探测发现该区域内信号异常强烈，根据信号反应的情况判断为富水区，故在附近区域布置一个探放水孔。

（2）-240 m水平探放水孔设计。-240 m水平共设计ZSK1硐室和ZSK2硐室两个探放水硐室，如图4（b）所示。根据前期实际钻探数据，距离ZSK1硐室最近的老钻孔CK14、72-19终孔深度分别为-208 m和-250 m左右，不处于奥陶系灰岩含水层（O1灰岩）内，不能揭露该处的深部地质情况。但瞬变电磁法探测该范围-570 m区域内信号异常强烈，判断此处为富水区，因此在此处布置一个探放水孔。距离ZSK2探放水硐室最近的老钻孔CK7、CK13终孔深度分别为-230 m和-220 m，也没有进入奥陶系灰岩含水层（O1灰岩）内，不能揭露区域内的深部地质情况。根据瞬变电磁法探测显示，该区域在-550～-580 m深度范围内信号异常强烈，判断为富水区，在此处布置一个探放水孔。

（3）-360 m水平探放水孔设计。该处探放水硐室为原为8#钻探注浆硐室，探放水钻孔终孔位置在大帷幕外深部奥陶系灰岩含水层（O1灰岩）内。此区域由于受地面建筑影响不能进行瞬变电磁法探测，但根据现有地质资料分析，此处为深部奥陶系灰岩含水层的富水带。故在区域内布置一个探放水孔，此钻孔作为备用应急供水孔，并通过连接管路经新斜井引水到-240 m水平疏放水，如图4（c）所示。

3.2 探放水孔连通性试验

根据矿区地质资料、实际钻探数据和瞬变电磁法探测结果确定富水区和探放水方案后，可对不同富水区进行探放水治理，但不同富水区之间的水力联系会影响探放水治理的可控性。探放水孔之间因不同区域之间的水力联系会相互影响，可能造成探放水方案设计不合理，同时不同富水区之间以及探放水孔周围的导水通道也会对周边生产区域的安全生产带来隐患。为了探明不同富水区之间的水力联系，验证设计方案的合理性和有效性，精准地控制探放水施工，同时保证生产区域的安全生产，进行了探放水的连通性试验。

此次试验以高锰酸钾溶液作为示踪剂，向探放水孔中反向高压压入一定浓度的高锰酸钾溶液，并维持一段时间，在各监测点每隔15 min取样一次，确保第一时间测得高锰酸钾溶液的扩散情况，据此判断不同富水区、钻孔和生产区域之间的连通性，验证探放水方案的合理性，以便对探放水孔与周边生产区域之间存在的导水通道及时进行封堵处治，保障矿山安全生产。

在试验结束后，采用光谱分析法对采集的样本进行了高锰酸钾浓度测定。首先测定标准高锰酸钾溶液浓度与光谱曲线，如图5所示；然后对采集的样本进行光谱扫描分析，将样本光谱数据与标准溶液光谱曲线进行对照，确定样本溶液中高锰酸钾溶液的浓度；最后整理后得到监测点高锰酸钾溶液浓度随时间的变化曲线如图6所示。

经过连通性试验验证，-240 m水平探放水孔ZSK1-1和-200 m水平探放水孔ZSK1-1、ZSK1-2在试验过程中和试验后，监测点均未检测到高锰酸钾溶液涌出，说明这3个孔与其它区域无连通；但-240 m水平探放水孔ZSK2-1孔沿巷道向箕斗斜井方向左侧的暗沟内，有高锰酸钾溶液涌出，其浓度随时间的变化如图6所示。此孔在连通试验时，终止压力为5.5 MPa，并持续了75 min，在持续高压状态下，薄弱区域被压开（即通向暗沟的薄弱区、裂隙），导致暗沟内的涌水量上升显著，为了保证矿房安全性，及时对暗沟右侧进行了封堵，防止涌水进入右侧矿房内，影响生产。

3.3 治理结果分析

此次铁矿灰岩富水区探放水运用大功率瞬变电磁法探测，结合地质资料和实际钻探数据，累计完成5个探放水孔的施工。通过连通性试验，探明了不同富水区、探放水孔和生产区域之间的水力联系，对探放水孔和生产区域之间存在的导水通道及时进行了封堵处理，保障了探放水工作顺利进行。5个探放水孔全部集中在-240 m水平以上，其中-200 m水平ZSK2-1孔孔深541 m，孔放水量1 900 m3/d，ZSK2-2孔孔深576 m，孔放水量1 600 m3/d；-240 m水平ZSK1-1孔孔深500 m，孔放水量2 500 m3/d，ZSK2-1孔孔深544 m，孔放水量1 500 m3/d，避险硐室附近探放水孔孔深558 m，孔放水量150 m3/d。总钻探量2 719 m，累计涌水量达7 650 m3/d，保证了该矿安全生产。

4 结 论

（1）将等效参数法运用于大功率瞬变电磁法探测中，有效区分出了金属矿体和水体，取得了良好的探测效果。在某铁矿500～600 m深度范围内准确探测到了富水区的存在，有效解决了传统瞬变电磁法对金属矿山富水区探测时容易出现的错探、误探等难题。

（2）通过连通性试验判断各富水区之间的水力联系，探明了某铁矿-240 m水平的ZSK1-1孔和-200 m水平的ZSK1-1孔、ZSK1-2孔3个孔与生产区域无连通；-240 m水平的ZSK2-1孔与生产区域之间存在导水通道，对存在安全隐患的区域及时进行了处理，消除了铁矿富水区潜在的安全隐患，提高了治理过程的可控性。

（3）提出了一套运用大功率瞬变电磁法结合地质资料以及实际钻探数据寻找富水区进行疏放水的综合探放水技术，并成功运用于某铁矿灰岩富水区，保证了矿产资源顺利开采，为类似金属矿山综合探放水治理提供了借鉴。