电位法超前探测在富水地下矿山施工中的应用

陶 磊 陈建宏 胡京涛

(1.中南大学资源与安全工程学院;2.中国铝业公司长沙有色冶金设计研究院有限公司)

在地下矿山施工过程中常会出现突泥、突水、瓦斯突出等与地下水有关的地质灾害。这些地质灾害诱发原因可能是岩层的本身物理和岩体工程特性，也可能是采动活动改变地下围岩的原始的力学平衡状态，对工程带来巨大的损失，据资料不完全统计［1-3］，在国内的几十年时间里，有近300多个矿井发生过淹井事故，死亡1 700多人，经济损失达数百亿。在这种形势下，发展对地下水的探测及预报技术对矿山的开采施工作业有着十分巨大的前景和意义。

长期以来，地质专家及相关领域研究人员进行了大量的试验研究和实际探测工程摸索，主要是针对地下安全生产施工中遭遇的各种地质灾害问题，目的是解决生产施工中遇到的难题，为探测和预报地下水灾害做出突出贡献。

直接钻探法是在隧道施工期间采用超前钻孔进行地质超前预报，是隧道超前地质预报方法中最常用的方法，缺点是单个钻孔只能给出沿钻孔钻进方向的地质变化情况，超前钻探既费时又费钱，影响正常施工，当地下水压较高时或有瓦斯体时，容易引起大的事故［4-6］。在如今信息化科技高速发展的条件下，超前探测预报技术系统研究的发展趋势主要集中在以下几个方面:一是探测方法综合化，二是仪器安全轻便化，三是理论模拟三维化，四是资料处理可视化。陆兆康、李开兴等［7］利用红外仪、激电仪进行超前探水预测预报技术是矿山开掘斜井和平巷防水安全措施行之有效方法，是省工、省时、经济的一种探水技术;赵国敏、王亚会、王进等［8］利用地学层析技术和电磁波CT观测，成功分析出了该地区暗河、破碎带及溶洞的存在，为探测技术提供新的思路;刘敦文，古德生［9］在分析国内外己有成果，将工程灾害隐患雷达探测与控制理论及技术，研制出一种基于人工神经网络的探地雷达智能解释系统，开发了与之配套的可视化自适应人工神经网络软件，并应用到矿山采空区处理方案决策过程中，取得了良好的应用效果;黄忆龙、卓越、南琛等［10］系统阐述了红外线超前探水的原理，研究了充泥溶洞、富水溶洞及富水断层破碎带的T－S曲线特征，为富水隧洞预测水害及其治理提供了保证;张平松、李永盛等［11］通过改进瞬变电磁法测试布置方式、中心线方向竖直测试剖面，形成四断面法超前测试，增强了对前方含水异常体的空间判断能力，具有一定的可靠性，能为坑道掘进安全生产提供有效指导;韦万川、陆兆康、李开兴等［12］分析了瞬变电磁法及直流电法超前探测的优点和不足，重点阐述了三维电法超前探测的原理和三维电阻率层析成像技术，认为该技术具有很强实用性有效性和推广应用价值的结论;罗金、刘春生［13］利用震电效应，通过观测放炮前后震电信号的强弱变化可以探测周围含水地质体。试验表明，震电法探测距离远，探测准确性随掘进面推进可循序验证，是一种可行的极具潜力的隧道含水体超前探测预报方法。

1 矿山施工现状

贵州某大型铝土地下矿山在施工过程中，1 140 m中段巷道布置在弱含水层(娄山关)中，根据地质资料显示:矿区范围内有多条大断层，含水层主要有3层(栖霞茅口、摆佐、娄山关)且含水层之间联系情况较为复杂，矿山最大涌水量28 000 m3/d，地下平均水位约在1 290 m。岩石主要由灰岩、白云岩构成，溶洞溶槽发育。为保障施工安全，避免突水、突泥及断层给施工带来人员、财产损失，掌子面迎头超前探水工作是矿山施工掘进中必不可少的环节之一。施工单位首先采用传统工艺，采用凿岩机或潜孔钻进行超前探水，在实际操作中遇到多方面的问题:①当围岩较为破碎时，凿岩机易卡钻，扫孔、成孔较难，且长度有限(3～6 m)。换用潜孔钻机，成孔较为容易、但进尺慢、设备准备时间较长，均不能取得良好效果。②准确度不够，根据施工规范，探水钻孔一般布置3～5个，布置数量增加会延长工期及提高造价，但此数量能探测的范围较为有限，经常出现探孔未能探出水而实际掘进时遇水。③由于已位于地下水位150 m以下，水头压力较大，一旦出水且压力较大时，无法及时封堵，给掌子面作业带来较大困难，二次处理耽误时间。

为解决这些实际困难，项目部决定采用物探手段进行超前探测，并提出了几点要求:①探测时间尽量控制在几小时内，越短越好。②探测仪器能够适应井下复杂环境(淋水、断面狭窄)。③探测距离不要求太长(12～15 m)，有合理保护岩柱长度即可;精确度不要求太高，但能准确判断是否存在异常情况，在取的结果后可结合探孔进一步获得工程地质资料。④操作简单，维护方便，探测结果可即时获得，费用合理。

2 电位法超前探测技术研究

在选择物探手段时，考虑目前巷道内淋水点较多，环境较为复杂(掌子面有照明、风筒、电机等设施及支护设施)首先排除了红外探测法和电磁法中磁场法，红外探测法易受淋水干扰，磁场法易受金属物品干扰。物探应在电法及弹性波反射法中选择，弹性波反射法优点是准确度高、可获得断层、裂隙、溶洞的具体位置信息，但缺点是操作要求较高，结果需进行二次分析。电位法的优点是操作要求较低、结果直观，缺点是精确度较低。根据项目部对物探手段要求，经综合各种探测方案比较，决定选用高密度电位法进行超前探测。

由于最终选用的方案为电位法探测手段，探测设备选用北京华安奥特科技有限公司研制的HAR200隧道电法超前探测仪，如图1。该仪器以视电阻率法原理，可进行三极法超前探测、四极法、温纳及三极测深工作，工作原理如图2所示。HA－R200隧道电法超前探测仪设备高度集成，内置电源及分析软件，配备智能电极，放电采用数字锁相环测量技术，三防设计，操作简便。

图1 电位法超前探测仪

图2 电位法超前探测仪工作原理

3 超前探测试验与结果验证

3.1 工作面选择

超前探测工作面选择在矿山1 140 m中段北向某一工作面，见图3。已掘巷道内有淋水、岩石较为破碎但质地坚硬，工作面宽度4.5 m，高度约为3.2 m，喷射混凝土支护。

图3 超前探头布置

3.2 探测方法及人员安排

探测手段采用三级法，电极间距4 m，起始位置据掌子面4 m，探测范围为前方32 m。操作人员3人:仪器操作及记录1人、电极铺设及检查1人、无穷远线架设1人。

3.3 探测步骤

(1)铺设电极及无穷远线，根据间距沿巷道掘进方向布置电极，要求电极固定在岩石中，深度不小于3 cm，电极与导线连接处不得浸泡在水中。无穷远线布置不小于100 m。

(2)电极检测、通过仪器自带软件分析，对问题点进行故障排除，主要是连接及固定方面的问题。

(3)放点探测，得出结果。该工作面电阻率云图如图4、图5，整个探测过程耗时约40 min，方便快捷。

图4 视电阻率图

3.4 结果分析

图5 探测中段电阻率分布

从图4、图5中可直观判断出，在掌子面迎头前方有2处相对低阻区域:9～13 m处、18～22 m处，此区域范围内可能出现导水地质构造(断层、裂隙)。

3.5 结果验证

经实际掘进，9～13 m处确实有一处斜切巷道的裂隙，在12 m位置有一处集中出水点，与探测结果相符合，而18～22 m处无构造裂隙及断层，岩石稍破碎、节理裂隙较发育。

4 结论

(1)高密度电位法在地质灾害预报方面，具有操作便利、耗时少、费用低、结果直观、工作环境适用性强等优点，在井巷掘进施工时具有很强的应用性。虽然其精度不高，无法获得溶洞及裂隙的详细位置，但结合钻探方法可进行有效弥补。

(2)高密度电位法根据其原理，其原始数据云图呈三角锥型，随着探测深度的增加范围愈加广泛，但精度也随之降低，经后续多次验证，该仪器在20 m范围内结果基本准确。

(3)高密度电位法在金属地下矿山应用时，除可做超前预报外，其本身作为物探手段还可以对矿块的具体分布进行探测，但需经过一定数据积累和分析，对矿体的电阻率有一定认识后方可判断。

(4)各种物探手法均有各自的适用环境要求及优缺点，根据工程实际情况合理选用。高密度电位法结合普通钻探方法可高效解决地下富水矿山中的地质预报问题，满足井巷施工“有疑必探、先探后掘”的要求。

［1］ 葛文杰.复杂条件下铝土矿开采及岩层采动规律研究［D］.长沙:中南大学，2011.

［2］ 鄢 艳.我国铝土资源现状［J］.有色矿冶，2009，25(5):58-61.

［3］ 张吉龙.姜立春.我国铝土矿资源开采技术综述［J］.轻金属，2007(6):5-8.

［4］ 颜文珠.煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究［D］.济南:山东科技大学，2011.

［5］ 何继善，柳建新.隧道超前探测方法技术与应用研究［J］.工程地球物理学报，2004，1(4):293-298.

［6］ 陈建峰.隧道施工地质超前预报技术比较［J］.地下空间，2003，23(1):5-16.

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［8］ 赵国敏，王亚会，王 进，等.地学层析技术在隐伏地质灾害探测中的应用［J］.自然灾害学报，1996，5(3):45-45.

［9］ 刘敦文.地下岩体工程灾害隐患雷达探侧与控制研究［D］.长沙:中南大学，2001.

［10］ 黄忆龙.红外线探水法在隧道超前探水预报中的应用［J］.煤炭技术，2007，26(4):127-132.

［11］ 张平松，李永盛，胡雄武.巷道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析［J］.岩石力学，2012(9):2749-2753.

［12］ 韦万川，陆兆康，李开兴.红外仪激电仪在井巷中超前探水预测预报技术研究［J］.岩土钻掘矿业工程，1997(9):51-56.

［13］ 罗 金，刘春生.隧道震电法法超前探水试验研究［J］.北方交通，2010(7):130-135.