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瞬变电磁探测技术在马坑铁矿超前探测中的应用和研究

2024-07-03 11 上传者：管理员

摘要：马坑铁矿属于岩溶发育、水文地质类型，属于中等-复杂类型，日均涌水量超过2×104m3，属于大水矿床，因此岩溶水害的防治，可保障施工人员生命安全、施工任务顺利完成。根据安全监管部门规定，井下水害超前探测应采用“物探+钻探”的形式探明溶洞和地下水的发育程度，因此本文阐述采用瞬变电磁法与钻探相结合的综合探测手段，对马坑铁矿掘进巷道+18分段85-2掘进前方开展瞬变电磁超前探测，再辅助钻探工程进行验证，提前探明掘进工作面岩溶发育情况，保障了85-2安全施工，以上表明瞬变电磁超前探测手段在马坑铁矿含水层中可以有效探测异常区域，进而有针对性地采取措施，有效规避岩溶水害的威胁。

关键词：
岩溶水害
溶洞
瞬变电磁
超前探测
马坑铁矿
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马坑铁矿为顶板岩溶水直接充水的大水矿床，矿区属断裂构造及岩溶发育，地下水丰富、水文地质复杂，东区岩溶水位维持在+100 m标高左右，对+100 m以下的掘进工程造成一定的水害威胁，因此，在该区域开展超前瞬变电磁探测尤为重要[1]。通过超前探测，可以探明该区域岩溶和地下水发育情况，进而针对性地采取措施保障掘进工程安全施工，规避了水害的威胁[2,3]。

1、瞬变电磁法超前探测基本原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法（Timedomain electro magnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或井下设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征（图1），构造裂隙发育且不含水时，视电阻率将增大，而构造裂隙发育且含水时，视电阻率将明显减小。[4,5,6]

图1 良导体瞬变电磁感应原理图

2、瞬变电磁的应用

18分段85-2探矿巷是服务于深部地质勘查用的探矿巷工程，该工程设位于85～86号勘探线之间，探矿巷垂直矿体布置，探矿巷底板为林地组砂岩，顶板为灰岩、大理岩。穿过矿体进入灰岩地层至探矿巷终点约130 m，该区域属于岩溶含水层，富水性中等到强，掘进过程偶见巷道顶板有淋水的情况。因此，选取了+18分段85-2探矿巷作为瞬变电磁探测的试验点。测点85B8+18.3 m（工作面中心坐标X-39508988.037,Y-2767476.46,Z-28.44，方位312°）左右两帮及掌子面的围岩为石灰岩，掌子面后方有锚网喷浆支护，岩层产状312°∠70°。

2.1 测线布置与数据采集

本次探测使用仪器为YCS360矿用多通道瞬变电磁仪，配套2 m×2 m的线圈。该矿用本安型瞬变电磁仪对低阻充水区域反应灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且具有施工方便、快捷、效率高等优点。既可以用于掘进头前方超前探测，也可以用于巷道侧帮、顶、底板等探测，为矿山企业在生产过程中可能存在的水患和导水构造的超前预测预报提供技术手段[7,8]。

根据探测任务和现场施工条件，本次在+18分段85-2掌子面布置一个扇形观测系统，如图2所示。

图2 扇形观测系统

如图3所示，布置三条测线，分别是顶板向上45°方向、顺层方向以及底板向下45°方向，每条测线布置9个测点，每个测点间夹角为18°，总共布置27个测点，数据采集先顺层方向其次顶板向上45°方向，最后为底板向下45°方向，每个方向都是从左往右进行，每个方向探测完成即保存一组数据。

图3 三条测线布置

2.2 探测成果及数据分析报告

(1）结合图4(a）掌子面顺层方向视电阻率图和图4(b）掌子面垂向方向视电阻率图综合分析得出，在掘进前方10 m～30 m范围内视电阻率值表现正常，30 m～80 m范围内总体视电阻率值较低，从顺层方向视电阻率图（图4）可见明显的低阻异常区域，该区富水性较强，可能存在岩溶。

图4 东区+18分段85-2探矿巷85B8+18.3m测点掌子面视电阻率图

(2）针对掘进方向Y，从当前掌子面前方20 m～70 m范围进行更细致的XZ面切片分析，得到掘进前方Y=20 m、30 m、40 m、50 m、60m、70 m的XZ视电阻率等值图，如图5(a)～(f）所示，可以观察到在迎头掘进前方20 m视电阻率相对较高，从30 m到50 m视电阻率值呈现下降的趋势，50 m切片视电阻率值达到最低，从50 m到70 m开始视电阻率逐渐上升，70 m切片呈现正常的视电阻率值，在掘进前方30m～60 m出现低电阻异常，该范围内富水性表现较强。

图5 东区+18分段85-2探矿巷掘进前方的XZ视电阻率断面图

2.3 物探分析成果

瞬变电磁数据表明85-2探矿巷在测点85B8+18.3 m处至掘进前方85B8+48.3 m范围内视电阻率值相对较高、不存在异常情况，在85B8+48.3 m处至掘进前85B8+78.3 m范围内出现低电阻异常。综上，85-2探矿巷在85B8+48.3m处至掘进前方85B8+78.3 m范围内富水性较强，可能赋存小型溶洞。

3、钻探验证

根据物探成果，掌子面前方30 m未见异常情况，因此85-2探矿巷仍正常掘进10 m，掌子面比较完整，无淋水情况。考虑安全施工问题，超前距剩余20 m后停止了该巷道施工，采用在探矿巷施工超前探水孔，根据《金属非金属地下矿山防治水安全技术规范》的要求，设计并施工了4个超前长探孔，分别为正前方47.33 m、左斜15°45.53 m、右斜15°51.83 m、上斜15°，45.53m。第1个钻孔施工情况：0～32 m为灰白色的大理岩，岩芯完整，32 m～33.83 m出现小溶洞，为黑褐色泥沙充填，36.8 m～47.33 m均为黑褐色泥沙充（见图6），至47.33 m最终塌孔，无法再钻进而终孔。其余3个钻孔基本在同样深度揭露到溶洞。根据钻孔资料重新圈定了水文地质图，根据圈定资料显示85-2探矿巷掘进面前方32 m(85B8+63.7 m）处开始出现小溶洞，掘进面前方36.8 m（即85B8+68.5 m）存在巨大溶洞，溶洞为黑褐色泥沙充填，溶洞长度超过10 m。钻孔有出水，水量约3 m3/h。

图6 钻孔岩芯图

4、物探+钻探成果对比

从图7可知，物探揭露的异常区域对比钻探揭露的异常区域略大，原因是：探测过程可能受到干扰，存在一定的合理性偏差。物探探测区域异常点确实存在溶洞发育的情况，跟钻探揭露的溶洞发育情况基本一致。因此，瞬变电磁超前探测法可以作为岩溶水害超前探测的一种手段。

图7 物探+钻探异常区域分布图

5、结论

(1）瞬变电磁探测法此次在马坑岩溶水害超前探测到的岩溶发育情况与实际基本吻合，表明瞬变电磁探测法可以在金属矿床用于超前探放水。

(2）瞬变电磁探测法可以指导超前探水孔工程的布置，通过物探+钻探的有效结合，探明了岩溶水害的发育情况，及时停止了掘进工程的施工，很好地规避了井下岩溶水害威胁，同时减少了掘进成本。

参考文献:

[1]范晓飞,陈剑,岳志朋,等.基于TRT系统的金属矿山巷道施工超前地质预报:以安徽徐楼铁矿为例[J].中国矿业,2019,28(2):80-85.

[2]杨柱.福建马坑矿业股份有限公司马坑铁矿地下水治理方案研究及设计[M].长沙矿山研究,2021.

[3]闫鹏程.福建马坑铁矿成因探讨[D].中国地质大学(北京),2013.

[4]李欣洋,吴超凡,陈栋,陈小兵,金其忠.地质雷达在金属矿山超前探测中的应用[J].现代矿业,2023,39(02):160-163.