基于地质雷达的矽卡岩型铜铁矿巷道松动圈研究

于庆磊 蒲江涌 勒治华 褚吉祥 姜兆阳 郜晓龙

（1.东北大学岩石破裂与失稳研究所，辽宁沈阳110819；2.安徽太平矿业有限公司，安徽淮北235115）

矽卡岩型矿床是我国主要的金属矿床类型之一，在我国已探明的各种矿产储量中均占有很高的比例，如矽卡岩型的铋、锡、钨、铜、钼、金等金属矿床约占到各自探明储量的1/4以上［1］。作为成矿母岩的矽卡岩是中、酸性侵入体与碳酸盐岩接触交代形成的、矿物成分极其复杂的一类变质岩，常常由于变质作用的差异和后期蚀变，导致其物理力学性质空间变异很大，而且岩石强度低、遇水膨胀，给巷道支护带来了很大挑战，矽卡岩巷道经常需要重复支护［2-6］。巷道围岩松动圈支护理论的提出使矿山工作者认识到，可以通过测量巷道松动圈，提高巷道支护设计的针对性和有效性［7-8］，最近二十多年得到了广泛应用［9］。

松动圈的测量方法按其原理可分为直接测量方法和间接测量方法两类，直接测量方法主要有多点位移计法、钻孔全景图像法和岩芯实测法等，间接测量方法有声波法、电阻率法和地质雷达法等［10］。但声波法、多点位移计法、钻孔摄像法等需要钻孔，属于点式测量方法，在局部区域测量围岩松动圈时得到了广泛应用，但很难大面积推广，尤其是声波法测量时，钻孔中需要注水进行耦合，在上向孔中测量时操作复杂。

矽卡岩巷道围岩中钻孔质量不高，而且遇水崩解膨胀，容易塌孔，限制了钻孔测量松动圈方法的应用。近年来，基于地质雷达的松动圈探测方法在矿山工程中得到了广泛应用。杨永杰等［11］根据地质雷达探测原理，提出了松动圈雷达探测方法，并用于指导巷道围岩的锚杆支护设计；徐坤等［12］采用单孔声波测试、地质雷达法进行了松动圈深度探测，结果表明，两种测试结果基本一致；高家平等［13］采用地质雷达对围岩松动圈进行了现场测量，运用FLAC3D数值模拟方法对松动圈范围进行了模拟研究，结果表明，现场实测结果与数值模拟结果具有一致性；徐世达等［14］基于便携式雷达探测技术和声波测试技术，研究了阿舍勒铜矿深部采区不同中段、开采扰动前后的巷道围岩松动圈厚度分布规律，并与声波测试法进行了对比；郭亮等［15］、孟庆彬等［16］、黄向韬等［17］和宋宏伟等［18］分别采用不同中心频率的天线对不同断面尺寸的巷道松动圈进行了测量。虽然地质雷达测量松动圈的原理和过程简单，但要得到有效的地质雷达测量结果并不容易。从上述文献给出的雷达测量结果看，除了高家平等［13］和孟庆彬等［16］采用地质雷达探测的松动圈边界相对清晰直观外，在其余文献中的雷达测量工作得到的巷道松动圈边界并不明显，需要联合其它方法综合判别松动圈边界。地质雷达探测松动圈的效果和可靠性，既取决于地质雷达技术参数，又与巷道围岩结构特征有关。

上述采用地质雷达测量松动圈的研究工作多是针对煤矿巷道的，涉及金属矿的相对较少，尤其是矽卡岩矿床，矽卡岩特殊的物理力学性质给其巷道围岩松动圈测定带来了很大困难。本研究针对矽卡岩矿山的松动圈测定问题，在太平矿业矽卡岩型铜铁矿采用FASTWAVE地质雷达法进行巷道围岩松动圈现场测量，并结合现场测量成果，分析井下巷道不同岩性、不同水平的松动圈范围及空间分布特征，为优化井下巷道支护设计提供参考。

1 矿区地质与巷道概况

太平矿业公司铜铁矿床类型属于接触交代型铜、铁矿床。矿体赋存于岩体与碳酸盐的接触带上和碳酸盐捕掳体中。受后期构造影响，矿区断裂发育，地层变动强烈，地层产状受到破坏，围岩蚀变作用（主要矽卡岩化）显著。矿区围岩多为矽卡岩、蛇纹岩、蚀变的闪长岩以及大理岩。大理岩岩体质量相对较好，蚀变的闪长岩次之，矽卡岩最差。矽卡岩常为矿体的直接顶、底板，暴露后，遇水易膨胀崩解、碎化，甚至在无淋水的条件下，矽卡岩吸收空气中的水分，也不断崩解、膨胀，完全失去强度，岩体稳固性极差。

井下运输巷道断面为三心拱形，断面尺寸为2.5 m×2.5 m。目前井下巷道支护主要采用锚喷网支护，锚杆长度1.8 m，排间距1.0 m×1.0 m，采用直径6.5 mm圆钢编网，网度300 mm×300 mm，喷层厚10cm，巷道支护率达90%以上。在生产过程中，地压显现仍比较严重，经常发生巷道侧帮膨出大变形、局部出现底鼓，需进行整改和二次支护。因此，需要进行巷道围岩松动圈测定，提高巷道支护的科学性和合理性，避免过度支护或不当支护。

2 松动圈地质雷达探测原理及方案

2.1 工作原理

地质雷达是探测地下介质分布的广谱电磁技术。通过向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体（如空洞、分界面）时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收，如图1所示。通过对接收到的电磁波进行信号处理和分析，根据信号波形、强度、双程走时等参数来推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。在采矿工程中可用于探测采空区、断层破碎带、节理裂隙、岩层界面以及采场充填等有明显电性差异的界面构造。

地质雷达探测松动圈的深度和精度，既取决于地质雷达天线的中心频率，又与巷道围岩结构特征有关。根据图1所示的地质雷达探测原理，电磁波的反射效果取决于界面的反射系数，而电磁波的反射系数取决于介质的相对介电常数，介电常数差异越大，雷达波形越清晰［19］。当地质雷达天线中心频率f一定时，电磁波在特定介质中的传播速度V也是确定的，则电磁波在特定介质中的波长是定值。通常，当地质体层厚小于1/4波长时，反射波不能反映中间层，所以天线中心频率决定了探测的分辨率。

根据经典弹塑性理论，按围岩破坏情况可将巷道围岩从内至外依次分为4个区，即塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区，这4个区的力学行为与岩石的全应力—应变曲线上的相应段对应［20-21］。考虑到松动圈的内涵，塑性流动区应该类似围岩松动圈，也即松动圈是塑性区的一部分。松动圈中的岩体经历了原有裂隙张开、新裂隙产生、松动碎胀的过程，导致围岩的介电常数发生变化。由于围岩的非均匀性，松动圈与其外部塑性区之间没有完全清晰的边界，可能存在过渡带，而过渡带中围岩的介电常数逐渐变化，导致介质常数差异不明显，影响雷达探测成像效果。应根据巷道围岩的结构特征，选择合适频率的地质雷达天线，以适应松动圈过渡带的特征。

2.2 探测方案

在-300 m、-480 m和-530 m等中段，根据巷道支护及表面平整情况，在大理岩巷道、风化闪长岩和矽卡岩等典型巷道中选择具有代表性的测点。采用地质雷达探测时，需要设定测线，受巷道断面内管线布置的限制，主要沿巷道走向探测巷道边帮的松动圈厚度。

本研究松动圈探测采用的是意大利FASTWAVE高速高精度探地雷达，主要包括数据采集主机、中心频率400 MHz天线、安装采集软件和后处理软件的笔记本电脑。中心频率400 MHz天线的探测深度为1～5 m，探测分辨率为20～200 mm。首先将数据采集主机与天线组装连接，选择适配的天线驱动程序；然后进行雷达增益标定。探测时将天线配置的测距轮抵在巷道壁上，天线与预设测线尽量保持平行，沿巷道方向匀速行走。

3 探测结果分析

3.1 地质雷达探测可靠性分析

由于井下巷道围岩软弱破碎，成孔质量差，无法采用其它方法测定巷道松动圈，与地质雷达探测结果互相对比验证。为分析该型地质雷达探测巷道松动圈的可靠性，将同一段巷道多次测量结果和边帮不同部位测量的结果进行对比，结合力学认识和经验，定性分析地质雷达探测结果的可靠性。

图2为绿泥石化矽卡岩巷道同一测点正向和反向的地质雷达探测结果。由该图分析可知：雷达波形在探测深度方向上明显分成了两个区域，波形清晰区和波形模糊区，而且有相对明显的界线。根据松动圈定义，可以认为该界线是松动圈在巷道围岩塑性区中的边界，如图中虚线所示，雷达波形清晰区域即为松动圈范围。

进一步分析图2可知：虽然正向探测和反向探测的结果并不完全相同，但松动圈范围总体上是一致的，大部分区域松动圈厚度约2.0 m，局部超过2.5 m，这说明雷达探测结果相对稳定。正向探测和反向探测结果不完全一致主要受巷道表面凹凸不平的影响，由于矽卡岩软弱破碎，巷道掘进时由于局部掉块破坏，经常超、欠挖，锚网喷支护后亦凹凸不平，导致正向和反向测量时天线在同一位置与巷道壁的接触程度有差别。如果巷道壁相对平整，雷达波形应该差别不大。

图3为破碎大理岩巷道同一测点在巷道腰线以上和靠近巷道底板进行两次探测的结果。由图中可以看出，巷道腰线以上的边帮中部松动圈厚度为1.5～2.0 m，靠近巷道底板位置松动圈的厚度为1.8～2.6 m，地质雷达探测结果显示巷道帮脚的松动圈厚度大于边帮中部的松动圈厚度。结合岩石力学相关理论分析可知，在一般地应力场中开挖巷道时，对于直墙拱形的巷道断面，帮脚的应力一般大于边帮中部应力，因而塑性区分布也较大。另外，通过现场地压显现来看，巷道常发生底鼓，也印证了巷道帮脚的松动圈较大。根据相关理论、经验以及现场地压显现情况综合分析，说明地质雷达探测的松动圈分布规律是可靠的。

3.2 不同围岩巷道的松动圈探测结果

大理岩巷道松动圈地质雷达探测结果如图4所示。3#测点（图4（a））位于-300 m中段4-5线绕道，是一段支护试验巷道，当前支护方式为预应力锚杆—挂网喷浆联合支护，其松动圈厚度为1.3～1.9 m。4#测点（图4（b））位于-330 m中段北7#线运输巷道，围岩较破碎，节理裂隙发育，支护方式为井下常用的锚网喷支护。由雷达探测结果分析可知，该段巷道围岩条件较为复杂，接触界面参差不齐，波形跳跃幅度较大（虚线椭圆），松动圈厚度为1.5～3.2 m。5#测点（图4（c））位于-330 m中段的主井车场，围岩较完整，松动圈厚度为1.2～1.5 m。

蚀变闪长岩巷道松动圈地质雷达探测结果如图5所示。6#测点（图5（a））位于-300 m中段4-5线绕道，与3#测点属同一试验巷道的不同围岩段，松动圈厚度为1.3～1.8 m；7#测点和8#测点均位于-530 m中段18线脉外运输巷，巷道支护方式为锚网喷支护，7#测点巷道松动圈厚度为2.0～2.7 m，8#测点巷道松动圈厚度为2.2～3.3 m。这两个测点探测距离较短，主要受巷道表面条件限制。

矽卡岩巷道松动圈地质雷达探测结果如图6所示。9#测点和10#测点分别位于-340 m水平的6#和5#溜井联络道，该区域矽卡岩节理裂隙发育，结构体厚度多小于10 cm，采用锚网喷支护，两个溜井联络道松动圈厚度分别为1.8～3.4 m和1.2～3.0 m。

11#测点和12#测点位于-480 m中段运输巷道延伸段。-480 m中段运输巷道是该矿深部开采的明竖井—盲竖井开拓的转运中段，现在中段运输巷延伸工程在-480 m中段原有中段运输巷的基础上延伸，连通明、盲竖井，设计掘进断面尺寸为3.3 m×3.3 m，断面形状为三心拱形。11#测点在掘进整改时发生局部坍塌，地质雷达探测的该段巷道松动圈厚度为2.8～3.3 m；12#测点位于11#测点斜对面的边帮，巷道松动圈厚度为2.5～3.7 m。支护方式主要为锚网喷支护或U形钢拱架支护，如图7所示。

3.3 不同围岩巷道松动圈统计分析

以0.25 m进行分类统计，3种围岩巷道松动圈厚度分布情况如图8所示。分析图8可知：太平矿业巷道围岩复杂多变，即使在同一类型围岩中，松动圈厚度分布也很宽泛。其中破碎大理岩巷道沿巷道走向共探测长度为29.12 m，松动圈厚度在1.25～1.75 m范围的占67.12%；蚀变闪长岩巷道共探测了12.6 m，松动圈厚度为1.25～3.25 m；矽卡岩巷道共探测了24.17 m，松动圈厚度为1.75～3.5 m。其中蚀变闪长岩和矽卡岩巷道松动圈分布相对更宽泛，这也反映了蚀变闪长岩和矽卡岩的力学性质空间变异很大，这两种类型的巷道支护难度更大，应根据松动圈的形态和岩体结构特征，对巷道围岩类型进行更细致的分类，设计对应的支护方案。

对比大理岩、蚀变闪长岩和矽卡岩中地质雷达探测图像，可以发现随着围岩性质变差，松动圈的边界越来越不明显。岩体质量相对较好的大理岩中巷道松动圈的边界较清晰（图4），而蚀变闪长岩和矽卡岩中巷道松动圈边界相对模糊（图5、图6）。可能是蚀变闪长岩和矽卡岩围岩本身裂隙发育，软弱破碎，与松动圈内围岩的介电常数差异小，导致松动圈边界电磁波的反射系数小，因而导致地质雷达测得的松动圈边界不明显。在地质雷达探测图像上确定松动圈界线时，都是人工操作，具有主观性，边界不明显可能会影响松动圈测定结果。

另外，对于相同岩性的巷道，巷道埋深越大，松动圈范围越大，如大理岩巷道-300 m中段（图4（a））和-330 m中段（图4（b）），蚀变闪长岩巷道-300 m中段（图5（a））和-530 m中段（图5（b）和图5（c））更明显；巷道断面尺寸越大，松动圈范围越大，如矽卡岩2.5 m×2.5 m断面巷道（图6（a）和图6（b））和矽卡岩3.3 m×3.3 m断面巷道（图6（c）和图6（d））。这表明巷道围岩松动圈除了受地应力和围岩性质影响外［2］，还与巷道断面尺寸密切相关。

应该注意，地质雷达测量巷道围岩松动圈，一般是巷道围岩软弱破碎，钻孔困难或成孔质量差，无法采用其它直接方法测量的情况。这类巷道一般开挖后立即支护，甚至短掘短支施工，松动圈测量是在支护后的巷道中进行。在锚网喷支护巷道中，金属网片对雷达的电磁波有屏蔽作用，当网片网度较小时，会影响地质雷达的探测效果，而探测效果主要取决于电磁波在围岩介质中的波长与网片网度之间的比例关系。

4 结 论

针对软弱矽卡岩型矿床井下巷道支护问题，以太平矿业矽卡岩型铜铁矿床为例，采用地质雷达探测了巷道围岩松动圈，结合探测结果分析了巷道围岩松动圈的分布特征，讨论了地质雷达探测松动圈时天线的选择原则及现场实施时的注意事项，为同类地质条件的矿山提供了参考。得出如下结论：

（1）太平矿业井下巷道围岩松动圈分布特征复杂，破碎大理岩巷道松动圈厚度主要在1.75 m范围内，而蚀变闪长岩巷道和矽卡岩巷道松动圈厚度分布宽泛，分别在1.25～3.25 m和1.75～3.50 m范围内变化，需要根据松动圈形态和岩体结构特征对巷道围岩类型进行更细致的分类，设计对应的支护方案。

（2）地质雷达对于巷道围岩松动圈的探测效果取决于松动圈和外部塑性区的围岩之间介电常数的差异，围岩性质越差，地质雷达图像显示的巷道松动圈边界越不明显。

（3）对于相同岩性的巷道，巷道埋深越大，松动圈范围越大，巷道断面尺寸越大，松动圈范围越大，进一步验证了巷道围岩松动圈除了受地应力和围岩性质影响外，还与巷道断面尺寸密切相关。

（4）在锚网喷支护巷道中，金属网片对雷达的电磁波有屏蔽作用，当网片网度较小时，会影响地质雷达的探测效果，而探测效果主要取决于电磁波波长与金属网片网度之间的关系。