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井巷瞬变电磁法在某金矿超前预报中的应用

更新时间:2016-07-05

1 引言

近年来,我国矿产资源开采深度逐渐增大,巷道掘进工作面临的地质灾害更加多元,水文地质条件越发复杂。在矿山巷道掘进过程中,工作面前方的含水情况直接影响巷道内的安全生产,因此在巷道开挖前进行超前探水工作就显得尤为必要。当前,应用较广泛的超前探水方法有:钻探法和物探法,其中物探方法根据探测原理的不同主要包括包括:探地雷达法、常规电法类方法、电磁法及弹性波类方法等(赵永贵等,2003;叶英等,2009;杨海燕等,2015)。现阶段胶东地区金矿采用钻探法作为唯一的超前探水方法,该方法探水结果较为直观,但探水结论仅一孔之见,并不能够完全预测工作面前方的含水情况,具有盲目性。井巷瞬变电磁法(以下简称MTEM法)作为近年来发展起来的超前探水技术,具有体积效应小、方向性强、施工简便等优点,该方法以围岩和目标体的电阻率差异为基础进行探测,对高阻围岩内的含水构造由较高的分辨能力(程久龙等,2014;孙怀凤等,2016)。影响胶东地区金矿巷道掘进工程的水体通常汇集在断裂带、破碎带和裂隙内,水体与围岩的电导率、介电常数等典型特性有明显的差异。本次研究通过在胶东地区金矿开展MTEM法超前探水实验,有效预测了工作面前方围岩含水情况,圈定了含水构造一处,经钻探验证证明了该方法在超前探水工程中的有效性。

2 实验点介绍

相比煤矿和隧道,金矿巷道涌水情况有着独特性:(1)金矿巷道内涌水量较小,通常不会引起较大的安全性事故,但由于巷道空间相对狭小,排水能力不足,较小涌水量(涌水量100m3/h~300m3/h)也会对矿山的安全生产工作带来隐患,严重影响施工进度;(2)以本次实验矿区为例,巷道围岩以二长花岗岩等坚硬火成岩为主,主要含水体为张性构造内含水和裂隙水,含水体体积大小取决于构造裂隙尺寸,通常巷道内较大含水裂隙宽度在1~10cm,水体体积较小;(3)巷道内构造裂隙分布广泛,呈多方向性,彼此导通,构造、裂隙在围岩内呈网状密布,且同一条构造在不同位置可呈现明显差异;(4)巷道开挖较深,较小尺寸出水点因较大水压也会产生大流量涌水(陈江峰等,2017)。以上特点给超前探水工作野外施工、准确预测带来了不利影响(蒋慎君等,1988;范亮等,2011;郭有刚等,2011)。

实验点金矿属破碎带蚀变岩型金矿床,围岩节理裂隙发育,矿区地层除第四系(Q)外,均为胶东群变质岩(Arj)(宋明春等,2014)。金矿掘进巷道狭小,工作面尺寸仅为3m×3m,而MTEM常用小回线尺寸为2m×2m,给MTEM点位布设带来一定限制,物理点减少一定程度上降低了MTEM法的探测范围和探测精度(金中国等,2002)。

3 方法介绍

矿井瞬变电磁法(MTEM)是利用不接地回线在巷道内设置通以一定电流的发射线圈,在其周围空间产生一次电磁场,并在巷道周围导电岩矿体中产生感应电流。在电流断开之前,发射电流在回线周围空间中建立起一个稳定的磁场。在时间t=0时刻,将电流突然断开,由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过巷道内空气和周围导电介质传至回线周围的岩层中,并在岩层中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场,使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗,直到将磁场能量消耗完毕为止(朴化荣,1990;李貅,2002;于景邨等,2007;周平等,2007)。

4 实验布置

本次实验采用加拿大生产的ProTEM-47HP瞬变电磁仪。工作装置选用中心回线装置,矩形发射线框,线框规格为2m×2m,线圈匝数为64匝,发射电流1A,发射频率62.5Hz。接收装置为接收线圈,其有效面积31.4m2(李文尧等,2010;武军杰等,2015)。

本次实验选取矿区两处工作面作为实验点,即1号实验点与2号实验点,每个工作面布设测点15个,对工作面左右侧帮及工作面前方内进行探测。

MTEM法测线布置示意如图1所示,即线圈装置首先放置于巷道左侧帮,使线圈中心法线方向垂直于左侧帮开始测量;然后旋转线圈装置,使线圈法线方向与工作面呈一定夹角测量,夹角逐渐增大至线圈法线方向与工作面垂直;保持垂直角度由左向右移动线圈,均匀地在工作面上布设2~3个测点;线圈移动至右侧帮位置后再次旋转线圈,使线圈法线方向与工作面夹角由直角逐渐减小至0°,即法线方向与右侧帮垂直,注意旋转角度与左侧帮旋转角度呈对称关系。这样就得到了以工作面为中心、向掘进方向呈扇形的探测范围,从而能够较全面地掌握工作面前方低阻异常的存在。

图1 井中瞬变电磁法测点布置图(于景邨等,2007) Fig.1 Deployment of measuring points of mine transient electromagnetic method (after Yu et al., 2007)

5 实验成果

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1号实验点数据处理采用晚期视电阻率计算公式,得到视电阻率断面图2a。通过MTEM法电阻率断面图,可见由工作面左侧10~15m位置处存在一圈闭的视电阻率低阻异常,视电阻率值在400Ω.m以下;15~50m探测范围内视电阻率等值线变化平缓,视电阻率值均大于1000Ω.m,无明显异常出现。由工作面处的实际水文地质情况可知,巷道内围岩主要以致密的二长花岗岩为主,岩体相对完整,具有较高的电阻率值,若围岩内出现含水构造,则会在视电阻率断面图中显示出相对低阻异常,且探测工作面左侧位置已出现小股涌水,由此预测在工作面左侧10~15m低阻异常影响区域处存在含水构造,在工作面前方15~50m范围存在较大含水构造概率较低。经该工作面实际钻探验证,超前探水孔钻至工作面左前方12~13m位置处出现涌水点,涌水量约100m3/h;工作面前方13m~50m预测范围无含水构造,围岩相对完整。

2号实验点工作面处无涌水点,围岩较为完整,数据处理采用晚期视电阻率计算公式,得到视电阻率断面图2b。在探测位置前方5~50m范围内视电阻率值相对较高,等值线变化平缓,无明显低阻异常存在,预测该工作面前方5~50m范围内围岩相对完整,无较大体积含水构造。经钻探验证,该工作面共施工超前探水孔6个,在工作面前方5~50m预测范围内均未见含水构造和涌水点,与预测结果较一致。

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图2 MTEM法视电阻率断面 Fig.2 Apparent resistivity section of mine transient electromagnetic method a-1号实验点;b-2号实验点 a-experiment point 1;b-experiment point 2

6 结论

(1)通过在胶东地区金矿巷道内开展MTEM法超前探水实验,预测了工作面前方含水情况,准确圈定了一处含水构造位置,为巷道安全掘进提供了科学依据;验证了MTEM法在胶东地区金矿超前探水工程中应用的有效性。

(2)金矿巷道内探测水体尺寸较小,场地条件较差,选择合适的物探方法才能达到探测目的。MTEM法能够快速预测工作面前方含水情况,配合相应的钻探验证可避免单一钻探法超前探水的盲目性,大幅提高了预报精度,减少了钻探工作量,加快了工程进度,在胶东地区金矿超前探水工程中取得了较好的应用效果。

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