論地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在廣西大新錳礦的應(yīng)用

潘承武,林 武

(1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司,廣西南寧 530022；2.廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

1 工程及地質(zhì)條件概況

廣西大新下雷錳礦是一座上泥盆統(tǒng)沉積型碳酸錳礦床,隸屬中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司,位于廣西壯族自治區(qū)大新縣下雷鎮(zhèn)境內(nèi)。礦區(qū)位于廣西左江流域,地勢復(fù)雜,屬低山丘陵地形,半裸露型巖溶地貌[1]。地質(zhì)構(gòu)造為一近東西向,向西翹起的向斜構(gòu)造,礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂均很發(fā)育。主要巖性為灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、泥巖。目前的開采方式是由露采向地下開采轉(zhuǎn)型的過渡期,正處于60萬t/a碳酸錳地下開采井巷工程的基建中,基建工程總量為27 578 m/249 581.53 m3[2]。由280 m排水平峒、280 m中段、220 m中段運輸大巷和豎井、斜井等單項工程組成。

2 超前地質(zhì)預(yù)測和預(yù)報的方法及優(yōu)缺點

大新錳礦60萬t/a碳酸錳地下開采井巷工程設(shè)計的有關(guān)地質(zhì)資料大多是利用地面勘探、地質(zhì)調(diào)查、鉆孔測量和地球物理勘查方法獲得,而受工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變性和目前勘查技術(shù)水平的局限性影響,要想在施工前查明井巷工程中不良地質(zhì)體所處位置、狀況十分困難[3]。超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)作為一種地質(zhì)勘察方法在諸多井巷工程施工中作為補(bǔ)充勘察有了愈來愈多的應(yīng)用,它可以進(jìn)一步查清因前期地質(zhì)勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的不良地質(zhì)體,如地質(zhì)構(gòu)造、巖溶、含水層、軟弱巖等等[2]。在井巷工程施工中針對性地采取預(yù)防性措施,如變更設(shè)計支護(hù)參數(shù)、預(yù)注漿和加固、優(yōu)化施工方案等,從而減少和避免災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生,確保井巷施工安全。因此,對不良地質(zhì)體進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測和預(yù)報具有極其重要的意義。

2.1 地質(zhì)素描法(又稱掌子面編錄預(yù)測法)

基本原理：對揭露出的掌子面和巷道兩壁一頂進(jìn)行地質(zhì)編錄,編錄的主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)方法等。利用地質(zhì)理論和作圖法,將巷道所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點位置及出水狀態(tài)、出水量、溶洞等準(zhǔn)確記錄下來,經(jīng)過一系列運算并繪制成圖表,結(jié)合一些不良地質(zhì)體的前兆標(biāo)志資料分析整理,進(jìn)行巷道掘進(jìn)面前方地質(zhì)條件的預(yù)測預(yù)報。地質(zhì)素描法的優(yōu)點是該方法理論基礎(chǔ)牢固,設(shè)備簡單,操作方便,不占用工程施工時間,提交資料及時,費用低；是井巷工程地質(zhì)工作全過程的重要一環(huán),是收集竣工資料的一部分。缺點是預(yù)報范圍有限,對巷道前方未揭露的不良地質(zhì)現(xiàn)象容易漏報,特別是在地層巖性變化極為復(fù)雜的工程中預(yù)報的準(zhǔn)確率不高。

2.2 超前地質(zhì)鉆孔法

基本原理：利用鉆機(jī)(例如：ZQS-110B型潛孔鉆和 KD-100型巖心鉆)在巷道掌子面進(jìn)行水平地質(zhì)鉆探獲取前方幾十米地層的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)、巖體完整程度等地質(zhì)資料的一種地質(zhì)超前預(yù)報方式。鉆探后經(jīng)過對鉆探資料進(jìn)行整理分析,包括：鉆進(jìn)速度、孔內(nèi)情況、涌水量、巖芯描述等,分析、判斷不良地質(zhì)體的位置。它的優(yōu)點主要有：可以比較直觀地反映巷道掌子面前方的基本地質(zhì)情況,如地層巖性、巖體完整程度、裂隙度、溶洞大小、可以精確預(yù)測出水點位置、涌水壓力、大小等；準(zhǔn)確度高,與物探方法相比,它具有直觀性、客觀性,不存在物探手段經(jīng)常發(fā)生的多解性、不確定性；可以起到排水的作用。缺點主要有：鉆孔方向、傾角不易控制,成本費用高且需要停止掘進(jìn)面的掘進(jìn)作業(yè),占用施工時間長；探孔的覆蓋范圍有限,且資料只是一孔之見,對掌子面的點狀出水(如巖溶管道)可能鉆探不到；在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報效果較差,很難預(yù)測到掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理,與巷道軸線平行的結(jié)構(gòu)面也反映不出來。

2.3 加密淺孔超前探測法

基本原理：利用風(fēng)鉆在巷道掌子面上鉆小孔徑的淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法,經(jīng)過打淺孔時觀察所有淺孔的出水出渣情況、掌子面的滲漏情況來進(jìn)行超前預(yù)報。它是超前地質(zhì)鉆孔的一種重要補(bǔ)充,因其數(shù)量較多,與超前地質(zhì)鉆孔相比,它具有設(shè)備簡單、操作方便、費用低、占用巷道施工時間短,可與爆破孔同時操作,只不過在掌子面中心、頂部、左右邊壁、底部等主要部位布置鉆孔,其鉆孔深度較爆破孔超前2 m,使鉆孔探測深度總是超前每循環(huán)爆破進(jìn)尺2 m,保證施工安全。缺點是孔淺,預(yù)報范圍有限,且不能取巖芯。

3 超前地質(zhì)預(yù)測和預(yù)報的應(yīng)用及建議

根據(jù)大新錳礦工程地質(zhì)設(shè)計資料,60萬t/a碳酸錳地下開采井巷工程在施工中不可避免地要部分通過風(fēng)、氧化帶的極不穩(wěn)固的松散巖石和水文、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段,在經(jīng)過這些地段和工程施工中臨時出現(xiàn)不良地質(zhì)預(yù)兆時進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測、預(yù)報。雖說地質(zhì)素描法、超前地質(zhì)鉆孔法、加密淺孔超前探測法是地質(zhì)超前預(yù)測、預(yù)報技術(shù)最基本的方法,但簡單、實用。例如280 m排水平峒單項工程,全長1 770 m,凈斷面7.72 m3[1]。通過對資料分析預(yù)測：平峒巷道施工掘進(jìn)到泥盆系中統(tǒng)的東崗嶺組中厚層狀灰?guī)r地段內(nèi),特別是900～1 300 m段時,有可能會遇到布康溪匯入的地下暗河、溶洞或是裂隙與溶洞、地下暗河聯(lián)系引起的巷內(nèi)突水。為保證施工安全,本著“有疑必探,先探后掘”的方針,從890 m起用加密淺孔(YT-28型風(fēng)鉆)超前探測。在掘到922～933 m段時,地質(zhì)編錄發(fā)現(xiàn)在巷道內(nèi)灰?guī)r巖石節(jié)理發(fā)育,大部分微張,少部分張開。裂隙大部分被黃泥質(zhì)粘土充填,粘土濕,可塑,巖石面上有溶蝕現(xiàn)象且被切割成大塊狀或塊石狀,特別是后5 m段,巷道內(nèi)的巖石穩(wěn)固性、完整性差,見有輕度滲水、線狀流水且有巖塊從頂、旁幫上掉落。隨即改用超前地質(zhì)鉆(ZQS-110B型潛孔鉆)輔以加密淺孔進(jìn)行超前地質(zhì)探測,以超前鉆探50 m掘40 m為一個循環(huán)進(jìn)行,并根據(jù)每一次循環(huán)的鉆探資料(如表1所示)整理分析后進(jìn)行地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報。

表1 鉆孔施工記錄表

從表1可以看出：933～936.5 m為裂隙—巖溶地段,巖石節(jié)理發(fā)育,破碎且易掉落,巖石大多呈灰—灰白色,層面為泥化夾層。泥化夾層為黃—黃褐色粘性土,呈可塑～軟塑狀,厚度數(shù)毫米至數(shù)厘米不等,有的可達(dá)20 cm。局部地段還有輕度滲水、線狀滴水。開挖時應(yīng)密切注意泥化夾層和節(jié)理的失穩(wěn)破壞。936.5～939.8 m為溶洞,洞內(nèi)可能有礫石、粘土類物質(zhì)等充填物,大小不詳,有水。開挖時應(yīng)密切注意碎屑流[4]及涌水。939.3～956.9 m為裂隙—巖溶地段,巖石節(jié)理較發(fā)育,破碎且易掉落,巖石大多呈灰—灰白色,層面間為泥化夾層。泥化夾層為黃—黃褐色粘性土,呈可塑～軟塑狀,厚度數(shù)毫米至數(shù)厘米不等,局部地段還有滴、線狀滴水。956.9～959 m為溶洞,洞內(nèi)可能有礫石、粘土類物質(zhì)等充填物,大小不詳,少量水。959～967.3為裂隙—巖溶地段,巖石節(jié)理較發(fā)育,破碎且易掉落,巖石大多呈灰—灰白色,層面間為泥化夾層。泥化夾層為黃—黃褐色粘性土,呈可塑～軟塑狀,厚度數(shù)毫米至數(shù)厘米不等,局部地段還有滴、線狀滴水。967.3～983 m為灰?guī)r段,巖石節(jié)理不發(fā)育,巖石大多呈灰—灰白色,無水。根據(jù)對開挖后的跟蹤調(diào)查與驗證,預(yù)測情況基本正確,分別在936.8～939.9 m和956.9～959 m有3m×6.2m×7.1m和1.9m×12.8m×8.4m的充填型溶洞,在951.2～952.3 m拱肩處有一個0.5 m×0.8 m×0.4 m的小溶洞。沒有出現(xiàn)井巷內(nèi)大突水。隨后在983～1 293 m地段內(nèi)進(jìn)行了8個循環(huán)探測,掘進(jìn)揭露后經(jīng)調(diào)查與驗證均與提供的預(yù)測、預(yù)報情況基本相符吻合。但也存在個別漏報和誤差等情況,主要原因是工程技術(shù)人員對于不良地質(zhì)體的認(rèn)識與判別存在主觀偏差；操作工人操作機(jī)械水平不高以及勘測、分析的技術(shù)方法太單一、探測結(jié)果的多解性等等。因此,在以后的工作中,應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)資料收集、整編、分析判斷的能力,提高操作工人操作水平,合理制定探測方案,綜合利用多種勘測技術(shù)方法,互相補(bǔ)充和驗證預(yù)測結(jié)果,為今后地質(zhì)預(yù)報探測資料的分析提供借鑒,減少漏報和誤差,提高其準(zhǔn)確率。另外要切實做好掘進(jìn)工作面的地質(zhì)跟蹤,對可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地段及時發(fā)出預(yù)警預(yù)報,實現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報的目的。

5 結(jié)語

實踐證明,在大新錳礦地采工程中運用地質(zhì)超前預(yù)測、預(yù)報技術(shù)取得了較好的效果。在工程建設(shè)中,盡管存在對施工一定的干擾且工序復(fù)雜和漏報等情況,但也成功地預(yù)測了5a線斜井西主運輸巷和西采準(zhǔn)巷的強(qiáng)風(fēng)化、氧化破碎帶及340 m中段左3回風(fēng)巷的水文、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段的不良地質(zhì)體,使施工技術(shù)人員在施工中做到心中有數(shù),提前采取施工措施,從而有效控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,降低施工風(fēng)險和成本,提高掘進(jìn)速度,為施工單位贏得經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]王建新,楊家謙.廣西大新縣下雷礦區(qū)南部碳酸錳礦詳細(xì)勘探地質(zhì)報告[R].南寧：廣西第四地質(zhì)隊,1985.

[2]王天鳳,劉啟明,高金鳳,等.中信大錳礦業(yè)有限公司大新分公司60萬t/a地下開采工程方案設(shè)計[R].長沙：中冶長天國際工程有限責(zé)任公司,2006.

[3]王艷芳.超前地質(zhì)預(yù)報在大瑤山隧道施工中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù),2007,(5)：88-91.

[4]中國科學(xué)院地質(zhì)研究所,鐵道部隧道工程局.軍都山隧道快速施工超前地質(zhì)預(yù)報指南[M].北京：中國鐵道出版社,1990.