于慶磊 蒲江涌 勒治華 褚吉祥 姜兆陽 郜曉龍

（1.東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧沈陽110819；2.安徽太平礦業(yè)有限公司，安徽淮北235115）

矽卡巖型礦床是我國主要的金屬礦床類型之一，在我國已探明的各種礦產(chǎn)儲量中均占有很高的比例，如矽卡巖型的鉍、錫、鎢、銅、鉬、金等金屬礦床約占到各自探明儲量的1/4以上［1］。作為成礦母巖的矽卡巖是中、酸性侵入體與碳酸鹽巖接觸交代形成的、礦物成分極其復(fù)雜的一類變質(zhì)巖，常常由于變質(zhì)作用的差異和后期蝕變，導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)空間變異很大，而且?guī)r石強(qiáng)度低、遇水膨脹，給巷道支護(hù)帶來了很大挑戰(zhàn)，矽卡巖巷道經(jīng)常需要重復(fù)支護(hù)［2-6］。巷道圍巖松動圈支護(hù)理論的提出使礦山工作者認(rèn)識到，可以通過測量巷道松動圈，提高巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的針對性和有效性［7-8］，最近二十多年得到了廣泛應(yīng)用［9］。

松動圈的測量方法按其原理可分為直接測量方法和間接測量方法兩類，直接測量方法主要有多點(diǎn)位移計(jì)法、鉆孔全景圖像法和巖芯實(shí)測法等，間接測量方法有聲波法、電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法等［10］。但聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、鉆孔攝像法等需要鉆孔，屬于點(diǎn)式測量方法，在局部區(qū)域測量圍巖松動圈時(shí)得到了廣泛應(yīng)用，但很難大面積推廣，尤其是聲波法測量時(shí)，鉆孔中需要注水進(jìn)行耦合，在上向孔中測量時(shí)操作復(fù)雜。

矽卡巖巷道圍巖中鉆孔質(zhì)量不高，而且遇水崩解膨脹，容易塌孔，限制了鉆孔測量松動圈方法的應(yīng)用。近年來，基于地質(zhì)雷達(dá)的松動圈探測方法在礦山工程中得到了廣泛應(yīng)用。楊永杰等［11］根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測原理，提出了松動圈雷達(dá)探測方法，并用于指導(dǎo)巷道圍巖的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)；徐坤等［12］采用單孔聲波測試、地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行了松動圈深度探測，結(jié)果表明，兩種測試結(jié)果基本一致；高家平等［13］采用地質(zhì)雷達(dá)對圍巖松動圈進(jìn)行了現(xiàn)場測量，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法對松動圈范圍進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性；徐世達(dá)等［14］基于便攜式雷達(dá)探測技術(shù)和聲波測試技術(shù)，研究了阿舍勒銅礦深部采區(qū)不同中段、開采擾動前后的巷道圍巖松動圈厚度分布規(guī)律，并與聲波測試法進(jìn)行了對比；郭亮等［15］、孟慶彬等［16］、黃向韜等［17］和宋宏偉等［18］分別采用不同中心頻率的天線對不同斷面尺寸的巷道松動圈進(jìn)行了測量。雖然地質(zhì)雷達(dá)測量松動圈的原理和過程簡單，但要得到有效的地質(zhì)雷達(dá)測量結(jié)果并不容易。從上述文獻(xiàn)給出的雷達(dá)測量結(jié)果看，除了高家平等［13］和孟慶彬等［16］采用地質(zhì)雷達(dá)探測的松動圈邊界相對清晰直觀外，在其余文獻(xiàn)中的雷達(dá)測量工作得到的巷道松動圈邊界并不明顯，需要聯(lián)合其它方法綜合判別松動圈邊界。地質(zhì)雷達(dá)探測松動圈的效果和可靠性，既取決于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)，又與巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

上述采用地質(zhì)雷達(dá)測量松動圈的研究工作多是針對煤礦巷道的，涉及金屬礦的相對較少，尤其是矽卡巖礦床，矽卡巖特殊的物理力學(xué)性質(zhì)給其巷道圍巖松動圈測定帶來了很大困難。本研究針對矽卡巖礦山的松動圈測定問題，在太平礦業(yè)矽卡巖型銅鐵礦采用FASTWAVE地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行巷道圍巖松動圈現(xiàn)場測量，并結(jié)合現(xiàn)場測量成果，分析井下巷道不同巖性、不同水平的松動圈范圍及空間分布特征，為優(yōu)化井下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)與巷道概況

太平礦業(yè)公司銅鐵礦床類型屬于接觸交代型銅、鐵礦床。礦體賦存于巖體與碳酸鹽的接觸帶上和碳酸鹽捕擄體中。受后期構(gòu)造影響，礦區(qū)斷裂發(fā)育，地層變動強(qiáng)烈，地層產(chǎn)狀受到破壞，圍巖蝕變作用（主要矽卡巖化）顯著。礦區(qū)圍巖多為矽卡巖、蛇紋巖、蝕變的閃長巖以及大理巖。大理巖巖體質(zhì)量相對較好，蝕變的閃長巖次之，矽卡巖最差。矽卡巖常為礦體的直接頂、底板，暴露后，遇水易膨脹崩解、碎化，甚至在無淋水的條件下，矽卡巖吸收空氣中的水分，也不斷崩解、膨脹，完全失去強(qiáng)度，巖體穩(wěn)固性極差。

井下運(yùn)輸巷道斷面為三心拱形，斷面尺寸為2.5 m×2.5 m。目前井下巷道支護(hù)主要采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，錨桿長度1.8 m，排間距1.0 m×1.0 m，采用直徑6.5 mm圓鋼編網(wǎng)，網(wǎng)度300 mm×300 mm，噴層厚10cm，巷道支護(hù)率達(dá)90%以上。在生產(chǎn)過程中，地壓顯現(xiàn)仍比較嚴(yán)重，經(jīng)常發(fā)生巷道側(cè)幫膨出大變形、局部出現(xiàn)底鼓，需進(jìn)行整改和二次支護(hù)。因此，需要進(jìn)行巷道圍巖松動圈測定，提高巷道支護(hù)的科學(xué)性和合理性，避免過度支護(hù)或不當(dāng)支護(hù)。

2 松動圈地質(zhì)雷達(dá)探測原理及方案

2.1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是探測地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。通過向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體（如空洞、分界面）時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收天線所接收，如圖1所示。通過對接收到的電磁波進(jìn)行信號處理和分析，根據(jù)信號波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)來推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下隱蔽目標(biāo)物的探測。在采礦工程中可用于探測采空區(qū)、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙、巖層界面以及采場充填等有明顯電性差異的界面構(gòu)造。

地質(zhì)雷達(dá)探測松動圈的深度和精度，既取決于地質(zhì)雷達(dá)天線的中心頻率，又與巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。根據(jù)圖1所示的地質(zhì)雷達(dá)探測原理，電磁波的反射效果取決于界面的反射系數(shù)，而電磁波的反射系數(shù)取決于介質(zhì)的相對介電常數(shù)，介電常數(shù)差異越大，雷達(dá)波形越清晰［19］。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)天線中心頻率f一定時(shí)，電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V也是確定的，則電磁波在特定介質(zhì)中的波長是定值。通常，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體層厚小于1/4波長時(shí)，反射波不能反映中間層，所以天線中心頻率決定了探測的分辨率。

根據(jù)經(jīng)典彈塑性理論，按圍巖破壞情況可將巷道圍巖從內(nèi)至外依次分為4個區(qū)，即塑性流動區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)，這4個區(qū)的力學(xué)行為與巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的相應(yīng)段對應(yīng)［20-21］。考慮到松動圈的內(nèi)涵，塑性流動區(qū)應(yīng)該類似圍巖松動圈，也即松動圈是塑性區(qū)的一部分。松動圈中的巖體經(jīng)歷了原有裂隙張開、新裂隙產(chǎn)生、松動碎脹的過程，導(dǎo)致圍巖的介電常數(shù)發(fā)生變化。由于圍巖的非均勻性，松動圈與其外部塑性區(qū)之間沒有完全清晰的邊界，可能存在過渡帶，而過渡帶中圍巖的介電常數(shù)逐漸變化，導(dǎo)致介質(zhì)常數(shù)差異不明顯，影響雷達(dá)探測成像效果。應(yīng)根據(jù)巷道圍巖的結(jié)構(gòu)特征，選擇合適頻率的地質(zhì)雷達(dá)天線，以適應(yīng)松動圈過渡帶的特征。

2.2 探測方案

在-300 m、-480 m和-530 m等中段，根據(jù)巷道支護(hù)及表面平整情況，在大理巖巷道、風(fēng)化閃長巖和矽卡巖等典型巷道中選擇具有代表性的測點(diǎn)。采用地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí)，需要設(shè)定測線，受巷道斷面內(nèi)管線布置的限制，主要沿巷道走向探測巷道邊幫的松動圈厚度。

本研究松動圈探測采用的是意大利FASTWAVE高速高精度探地雷達(dá)，主要包括數(shù)據(jù)采集主機(jī)、中心頻率400 MHz天線、安裝采集軟件和后處理軟件的筆記本電腦。中心頻率400 MHz天線的探測深度為1～5 m，探測分辨率為20～200 mm。首先將數(shù)據(jù)采集主機(jī)與天線組裝連接，選擇適配的天線驅(qū)動程序；然后進(jìn)行雷達(dá)增益標(biāo)定。探測時(shí)將天線配置的測距輪抵在巷道壁上，天線與預(yù)設(shè)測線盡量保持平行，沿巷道方向勻速行走。

3 探測結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)雷達(dá)探測可靠性分析

由于井下巷道圍巖軟弱破碎，成孔質(zhì)量差，無法采用其它方法測定巷道松動圈，與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果互相對比驗(yàn)證。為分析該型地質(zhì)雷達(dá)探測巷道松動圈的可靠性，將同一段巷道多次測量結(jié)果和邊幫不同部位測量的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)合力學(xué)認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)，定性分析地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果的可靠性。

圖2為綠泥石化矽卡巖巷道同一測點(diǎn)正向和反向的地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果。由該圖分析可知：雷達(dá)波形在探測深度方向上明顯分成了兩個區(qū)域，波形清晰區(qū)和波形模糊區(qū)，而且有相對明顯的界線。根據(jù)松動圈定義，可以認(rèn)為該界線是松動圈在巷道圍巖塑性區(qū)中的邊界，如圖中虛線所示，雷達(dá)波形清晰區(qū)域即為松動圈范圍。

進(jìn)一步分析圖2可知：雖然正向探測和反向探測的結(jié)果并不完全相同，但松動圈范圍總體上是一致的，大部分區(qū)域松動圈厚度約2.0 m，局部超過2.5 m，這說明雷達(dá)探測結(jié)果相對穩(wěn)定。正向探測和反向探測結(jié)果不完全一致主要受巷道表面凹凸不平的影響，由于矽卡巖軟弱破碎，巷道掘進(jìn)時(shí)由于局部掉塊破壞，經(jīng)常超、欠挖，錨網(wǎng)噴支護(hù)后亦凹凸不平，導(dǎo)致正向和反向測量時(shí)天線在同一位置與巷道壁的接觸程度有差別。如果巷道壁相對平整，雷達(dá)波形應(yīng)該差別不大。

圖3為破碎大理巖巷道同一測點(diǎn)在巷道腰線以上和靠近巷道底板進(jìn)行兩次探測的結(jié)果。由圖中可以看出，巷道腰線以上的邊幫中部松動圈厚度為1.5～2.0 m，靠近巷道底板位置松動圈的厚度為1.8～2.6 m，地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果顯示巷道幫腳的松動圈厚度大于邊幫中部的松動圈厚度。結(jié)合巖石力學(xué)相關(guān)理論分析可知，在一般地應(yīng)力場中開挖巷道時(shí)，對于直墻拱形的巷道斷面，幫腳的應(yīng)力一般大于邊幫中部應(yīng)力，因而塑性區(qū)分布也較大。另外，通過現(xiàn)場地壓顯現(xiàn)來看，巷道常發(fā)生底鼓，也印證了巷道幫腳的松動圈較大。根據(jù)相關(guān)理論、經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場地壓顯現(xiàn)情況綜合分析，說明地質(zhì)雷達(dá)探測的松動圈分布規(guī)律是可靠的。

3.2 不同圍巖巷道的松動圈探測結(jié)果

大理巖巷道松動圈地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果如圖4所示。3#測點(diǎn)（圖4（a））位于-300 m中段4-5線繞道，是一段支護(hù)試驗(yàn)巷道，當(dāng)前支護(hù)方式為預(yù)應(yīng)力錨桿—掛網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)，其松動圈厚度為1.3～1.9 m。4#測點(diǎn)（圖4（b））位于-330 m中段北7#線運(yùn)輸巷道，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，支護(hù)方式為井下常用的錨網(wǎng)噴支護(hù)。由雷達(dá)探測結(jié)果分析可知，該段巷道圍巖條件較為復(fù)雜，接觸界面參差不齊，波形跳躍幅度較大（虛線橢圓），松動圈厚度為1.5～3.2 m。5#測點(diǎn)（圖4（c））位于-330 m中段的主井車場，圍巖較完整，松動圈厚度為1.2～1.5 m。

蝕變閃長巖巷道松動圈地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果如圖5所示。6#測點(diǎn)（圖5（a））位于-300 m中段4-5線繞道，與3#測點(diǎn)屬同一試驗(yàn)巷道的不同圍巖段，松動圈厚度為1.3～1.8 m；7#測點(diǎn)和8#測點(diǎn)均位于-530 m中段18線脈外運(yùn)輸巷，巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，7#測點(diǎn)巷道松動圈厚度為2.0～2.7 m，8#測點(diǎn)巷道松動圈厚度為2.2～3.3 m。這兩個測點(diǎn)探測距離較短，主要受巷道表面條件限制。

矽卡巖巷道松動圈地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果如圖6所示。9#測點(diǎn)和10#測點(diǎn)分別位于-340 m水平的6#和5#溜井聯(lián)絡(luò)道，該區(qū)域矽卡巖節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)體厚度多小于10 cm，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，兩個溜井聯(lián)絡(luò)道松動圈厚度分別為1.8～3.4 m和1.2～3.0 m。

11#測點(diǎn)和12#測點(diǎn)位于-480 m中段運(yùn)輸巷道延伸段。-480 m中段運(yùn)輸巷道是該礦深部開采的明豎井—盲豎井開拓的轉(zhuǎn)運(yùn)中段，現(xiàn)在中段運(yùn)輸巷延伸工程在-480 m中段原有中段運(yùn)輸巷的基礎(chǔ)上延伸，連通明、盲豎井，設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面尺寸為3.3 m×3.3 m，斷面形狀為三心拱形。11#測點(diǎn)在掘進(jìn)整改時(shí)發(fā)生局部坍塌，地質(zhì)雷達(dá)探測的該段巷道松動圈厚度為2.8～3.3 m；12#測點(diǎn)位于11#測點(diǎn)斜對面的邊幫，巷道松動圈厚度為2.5～3.7 m。支護(hù)方式主要為錨網(wǎng)噴支護(hù)或U形鋼拱架支護(hù)，如圖7所示。

3.3 不同圍巖巷道松動圈統(tǒng)計(jì)分析

以0.25 m進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，3種圍巖巷道松動圈厚度分布情況如圖8所示。分析圖8可知：太平礦業(yè)巷道圍巖復(fù)雜多變，即使在同一類型圍巖中，松動圈厚度分布也很寬泛。其中破碎大理巖巷道沿巷道走向共探測長度為29.12 m，松動圈厚度在1.25～1.75 m范圍的占67.12%；蝕變閃長巖巷道共探測了12.6 m，松動圈厚度為1.25～3.25 m；矽卡巖巷道共探測了24.17 m，松動圈厚度為1.75～3.5 m。其中蝕變閃長巖和矽卡巖巷道松動圈分布相對更寬泛，這也反映了蝕變閃長巖和矽卡巖的力學(xué)性質(zhì)空間變異很大，這兩種類型的巷道支護(hù)難度更大，應(yīng)根據(jù)松動圈的形態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)特征，對巷道圍巖類型進(jìn)行更細(xì)致的分類，設(shè)計(jì)對應(yīng)的支護(hù)方案。

對比大理巖、蝕變閃長巖和矽卡巖中地質(zhì)雷達(dá)探測圖像，可以發(fā)現(xiàn)隨著圍巖性質(zhì)變差，松動圈的邊界越來越不明顯。巖體質(zhì)量相對較好的大理巖中巷道松動圈的邊界較清晰（圖4），而蝕變閃長巖和矽卡巖中巷道松動圈邊界相對模糊（圖5、圖6）?？赡苁俏g變閃長巖和矽卡巖圍巖本身裂隙發(fā)育，軟弱破碎，與松動圈內(nèi)圍巖的介電常數(shù)差異小，導(dǎo)致松動圈邊界電磁波的反射系數(shù)小，因而導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)測得的松動圈邊界不明顯。在地質(zhì)雷達(dá)探測圖像上確定松動圈界線時(shí)，都是人工操作，具有主觀性，邊界不明顯可能會影響松動圈測定結(jié)果。

另外，對于相同巖性的巷道，巷道埋深越大，松動圈范圍越大，如大理巖巷道-300 m中段（圖4（a））和-330 m中段（圖4（b）），蝕變閃長巖巷道-300 m中段（圖5（a））和-530 m中段（圖5（b）和圖5（c））更明顯；巷道斷面尺寸越大，松動圈范圍越大，如矽卡巖2.5 m×2.5 m斷面巷道（圖6（a）和圖6（b））和矽卡巖3.3 m×3.3 m斷面巷道（圖6（c）和圖6（d））。這表明巷道圍巖松動圈除了受地應(yīng)力和圍巖性質(zhì)影響外［2］，還與巷道斷面尺寸密切相關(guān)。

應(yīng)該注意，地質(zhì)雷達(dá)測量巷道圍巖松動圈，一般是巷道圍巖軟弱破碎，鉆孔困難或成孔質(zhì)量差，無法采用其它直接方法測量的情況。這類巷道一般開挖后立即支護(hù)，甚至短掘短支施工，松動圈測量是在支護(hù)后的巷道中進(jìn)行。在錨網(wǎng)噴支護(hù)巷道中，金屬網(wǎng)片對雷達(dá)的電磁波有屏蔽作用，當(dāng)網(wǎng)片網(wǎng)度較小時(shí)，會影響地質(zhì)雷達(dá)的探測效果，而探測效果主要取決于電磁波在圍巖介質(zhì)中的波長與網(wǎng)片網(wǎng)度之間的比例關(guān)系。

4 結(jié) 論

針對軟弱矽卡巖型礦床井下巷道支護(hù)問題，以太平礦業(yè)矽卡巖型銅鐵礦床為例，采用地質(zhì)雷達(dá)探測了巷道圍巖松動圈，結(jié)合探測結(jié)果分析了巷道圍巖松動圈的分布特征，討論了地質(zhì)雷達(dá)探測松動圈時(shí)天線的選擇原則及現(xiàn)場實(shí)施時(shí)的注意事項(xiàng)，為同類地質(zhì)條件的礦山提供了參考。得出如下結(jié)論：

（1）太平礦業(yè)井下巷道圍巖松動圈分布特征復(fù)雜，破碎大理巖巷道松動圈厚度主要在1.75 m范圍內(nèi)，而蝕變閃長巖巷道和矽卡巖巷道松動圈厚度分布寬泛，分別在1.25～3.25 m和1.75～3.50 m范圍內(nèi)變化，需要根據(jù)松動圈形態(tài)和巖體結(jié)構(gòu)特征對巷道圍巖類型進(jìn)行更細(xì)致的分類，設(shè)計(jì)對應(yīng)的支護(hù)方案。

（2）地質(zhì)雷達(dá)對于巷道圍巖松動圈的探測效果取決于松動圈和外部塑性區(qū)的圍巖之間介電常數(shù)的差異，圍巖性質(zhì)越差，地質(zhì)雷達(dá)圖像顯示的巷道松動圈邊界越不明顯。

（3）對于相同巖性的巷道，巷道埋深越大，松動圈范圍越大，巷道斷面尺寸越大，松動圈范圍越大，進(jìn)一步驗(yàn)證了巷道圍巖松動圈除了受地應(yīng)力和圍巖性質(zhì)影響外，還與巷道斷面尺寸密切相關(guān)。

（4）在錨網(wǎng)噴支護(hù)巷道中，金屬網(wǎng)片對雷達(dá)的電磁波有屏蔽作用，當(dāng)網(wǎng)片網(wǎng)度較小時(shí)，會影響地質(zhì)雷達(dá)的探測效果，而探測效果主要取決于電磁波波長與金屬網(wǎng)片網(wǎng)度之間的關(guān)系。