西石门铁矿地质超前预报系统的建立与应用

文孝贵

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

西石门铁矿位于河北省武安市矿山镇西石门村，矿区面积约3.7 km2，南北长约5 km。为保证掘进施工的安全，不断探索使用各种先进的物探方法。先后采用了可控源法、高密度电法、瞬变电磁法[1]、激光扫描、地质雷达法、红外探测法等多种物探方法进行探测。最终确立以TRT6000 地震波层分析超前预报系统为主要方法，分析测试成果，指出掘进工程前方可能存在的异常，增加了超前预报工作的针对性。建立了以地质分析为前提，物探为前导，钻探揭露为主的综合地质超前预报体系。

1 西石门铁矿掘进工程中的主要问题

西石门矿区主要地层分布如下：第四系（Q），主要由冲、洪积物和坡积及风积物组成；石炭系（C）中统本溪组，主要由灰黄及灰色砂质页岩及少量石灰岩组成；奥陶系（O）中统上马家沟组，由灰岩、泥质花斑灰岩、角砾状石灰岩组成，中生代燕山期岩浆岩、闪长岩、角闪二长岩等侵入奥陶系中统石灰岩中，形成接触交代矽卡岩型磁铁矿。矿床的构造极为复杂，以褶皱为主，断裂构造次之，并控制了矿床的形态、产状及空间位置变化。

矿区含水层按赋存岩层划分主要有奥陶系中统石灰岩含水层、第四系河床砂砾石潜水含水层及闪长岩风化裂隙潜水含水层，其中，奥陶系中统石灰岩含水层为主要含水层，基底闪长岩、第四系黄土及冰积泥砾层为相对隔水层。

1.1 掘进工程施工现状

西石门铁矿为缓倾斜中厚矿体，按矿体自然赋存条件可划分为北、中、南3 个部位，采用中央竖井及斜井联合开拓，目前采用无底柱分段崩落法采矿。主要通过诱导放顶、自然冒落等方法处理采空区顶板，现已塌落至地表，回采工作较为安全。

1.2 主要问题

西石门铁矿受不规则的闪长岩隆起和局部构造影响，北区、中区、南区地下水位存在差异。北区地下水位在 −50 m 左右，中区地下水位在 −30 m左右，南区地下水位在 −40 m 左右。水位以上部位突出的地质问题主要是围岩破碎造成的地压管理困难和不明空场诱发的地压冲击波等。而水位以下部位突出的地质问题是除地压问题外，还包括由不明采空区积水可能引发的透水问题等。

西石门铁矿由于多年来受小矿点破坏，其遗留的不明采空区给矿方带来了重大生产安全隐患。2009 年3 月28 日的事故，就是典型的不明采空区积水引发的透水事故，给西石门铁矿造成了重大的人员伤亡和财产损失。西石门铁矿民采空区主要有如下特点。

（1）形成时间跨度大，20 世纪80 年代末至今，矿区内存在着早已形成和正在形成的采空区。

（2）数量庞大、分布广，已查明的民采损失矿量达千万吨以上。近期西石门铁矿中区 −40 m 中段共施工了23 个钻孔，其中18 个钻孔揭露空区。

（3）民采矿点在矿区内越层越界盗采，分布无规律，地表无痕迹、地下无资料。

（4）由于民采空区分布无规律，导致其积水范围、积水量均无据可查。一般认为地下水位以上的空区不积水，地下水位以下的空区积水。

民采空区给矿山安全生产，尤其是防治水工作带来了极大的困难。为解决这一难题，经过多年探索，西石门铁矿确立了以TRT6000 为主的地质超前预报系统。

2 TRT6000 超前预报系统及施工工艺

TRT6000 超前预报系统采用地震波反射三维成像技术，利用地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时的反射地震信号，通过分析了解巷道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。

地震波从一种低阻抗物质传播到另一高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，也就越容易探测到。

2.1 TRT6000 的特点[3]

TRT6000 系统采用12 个震源和10 个传感器，震源布置在掌子面附近的左右边墙上，分两个断面布置，如图1 所示。断面间隔为2 m；传感器布置在距震源点10～20 m 的巷道两边墙及拱顶上。

图1 震源与检波器点的布置

TRT6000 可以方便准确地预报工作面前方100～200 m 范围内的地质情况，从而为井巷工程的施工安全提供了科学依据。

2.2 现场施工

TRT 使用重锤锤击指定的震源点激发地震波，同一组锤击的位置不可改变。TRT 触发及连接见图2。

图2 TRT 触发及连接

经过上述现场测试，采集测试数据后，进入室内数据分析，编制TRT 测试成果[4]。

3 应用实例

西石门铁矿北区 −80 m 水平1 号穿脉为深部开拓工程，围岩为闪长岩，灰白色至灰黑色，呈半自形晶或它形粒状、细粒结构，块状构造，主要矿物成分为斜长石，次之为角闪石，有少量辉石，岩石致密坚硬。矿岩接触带附近岩体稳固性降低，呈破碎状，常伴有裂隙水涌出。

3.1 TRT6000 测试成果

首先进行TRT6000 探测，测试成果见图3。

图3 TRT6000 探测成果解析

TRT6000 探测成果推测结论：掌子面前方8 m以内地质情况较好，岩体较完整；掌子面右前方16 m处，巷道中心线右侧 −3～+20 m，标高 −60～−100 m范围，高阻抗异常向低阻抗异常过度明显，推测可能存在节理裂隙面；掌子面前方35～75 m，标高−100～−60 m 范围，低阻抗异常大范围分布，连续性好，推测可能为大范围分布的破碎岩体引起，不排除存在空区、巷道等采矿工程的可能。

3.2 钻探成果

根据TRT6000 试验解析成果，该部位共设计并施工钻孔1 个，孔深80.5 m。揭露岩性为闪长岩，岩芯较破碎，多呈短柱状，RQD 值为14%，岩石质量差（见钻探成果图4）。

图4 钻探成果

钻孔孔深16 m 处见水7 m3/h、45 m 处见水23 m3/h，推断为裂隙水。建议巷道向前掘进45 m 后，进行下一循环的超前预报工作。

掘进时应先对出水钻孔进行处理，用水管将钻孔中的水引入指定的排水沟，并持续排水；其次，在掘进时应对前方特别是巷道顶部加强短探，并密切关注巷道围岩的工程地质及水文地质变化情况，当出现冒落、片帮或顶板、围岩异常涌（淋）水等透水征兆时，应立即停止掘进，及时向矿方有关人员汇报并采取相应的处理措施。

3.3 成果对比分析

钻孔揭露孔深16.0 m 处见水7 m3/h、45 m 处见水23 m3/h，较好地对应了TRT 探测成果所得的结论。

TRT6000 在实施过程中主要遇到以下3 个问题：

（1）对现场岩性了解不充分，导致配备的冲击钻无法钻孔安装传感器；

（2）在破碎岩石中实施，无法选择理想的震源点和传感器接收点；

（3）现场外加的噪声及震动对测试结果有一定的影响。

根据问题原因，采取了以下措施，从而很好地解决了上述问题，并在后期的施工中成效显著。

（1）及时深入现场，掌握拟进行探测部位的地质条件、岩性情况等，选择合适的冲击钻，确保钻孔符合要求。

（2）在破碎岩石中，依据震源点和传感器的布置原则，在相应的震源点位置上加注锚杆，借助锚杆与岩体更紧密的结合，加强弹性波在岩体中的传播，减少因锤击破碎岩石表面而损失的弹性波能量。在相应的传感器位置上进行喷浆支护，保证传感器接收到有效弹性波。

（3）通过分析整个TRT 测试过程，只有当测试人员利用大锤锤击震源点时，外加弹性波才有可能影响测试。准备锤击时，在确保安全的情况下，生产铲车、水泵、风机尽量暂停运行，以减少其对测试的影响。

4 结论

（1）在井下采用弹性波法对掘进面前方不良地质体进行预报是众多地球物理探测方法中一种可行的方法，采用TRT6000 技术布设检波器和震源更为灵活，适用于矿山地质超前预报。

（2）西石门深部开拓工程在重点可疑区域应继续坚持“有疑必探”的方针，采用地质素描、物探和钻探的综合预报方法，降低民采空区水害风险。

（3）通过全年在西石门铁矿开展深部开拓工程的地质超前预报，减少了钻探的盲目性，提高了钻探的针对性，降低了地质超前预报的费用，解决了西石门铁矿安全生产、可持续生产的重大难题，稳定了企业生产，具有显著的社会效益。

（4）在现阶段严峻的安全生产形势下，为具有类似问题矿山的安全生产提供了可供参考的技术手段。