余一松 朱志根 劉家明 李華華

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

世界鋁土礦儲(chǔ)量豐富，分布不均衡。目前，國外鋁土礦總生產(chǎn)能力在1.5億t/a以上，露天開采占世界鋁土礦產(chǎn)能90%～95%，地下開采只在我國和歐洲小部分地區(qū)，產(chǎn)量約占5%～10%［1-2］。我國鋁土礦資源大部分采用地下開采的方式，屬于難采礦床，鋁土礦地下礦山在開采過程中存在諸多問題，主要表現(xiàn)在地下開采回收率低、資源損失浪費(fèi)嚴(yán)重、圍巖破碎不穩(wěn)固［3］。針對(duì)以上問題，學(xué)者在鋁土礦頂板穩(wěn)定性、破壞類型及機(jī)理方面開展了大量研究［4］。王啟耀等［5］認(rèn)為頂板彎曲變形破壞是水平層狀圍巖的主要破壞方式，變形破壞程度與巖層厚度及層面剪切剛度有關(guān)。孫偉等［6］將采場(chǎng)頂板簡化為固支的彈性薄板，發(fā)現(xiàn)頂板燒度從中央向邊緣減小，認(rèn)為頂板從中部向兩幫破壞。賈蓬等［7］對(duì)鋁土礦多層頂板進(jìn)行研究，表明最下層中部和端部剪應(yīng)力集中區(qū)最先出現(xiàn)裂紋，中部裂紋由下向上擴(kuò)展，最終形成3條主裂紋。陳慶港等［8］利用法拉索夫厚板理論，推導(dǎo)了頂板受拉和沖切破壞的臨界厚度。研究發(fā)現(xiàn)：在剪切應(yīng)力主導(dǎo)作用下，頂板整體跨落，在剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用下，頂板拱形冒落。張樹光等［9］用離散元分析了內(nèi)摩擦角對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著摩擦角增大，頂板變形減小，由滑動(dòng)破壞向彎曲破壞過渡。

目前關(guān)于巖層厚度測(cè)定的研究主要集中在煤層厚度，并不適用于金屬礦。同時(shí)，針對(duì)地下鋁土礦的相關(guān)開采技術(shù)研究也甚少，尤其是對(duì)于緩傾斜層狀巖體中采場(chǎng)直接頂板穩(wěn)定性的研究［10-11］。本研究基于鋁土礦頂板巖層非均勻性特性，以貴州某鋁土礦為工程地質(zhì)背景，優(yōu)選出直接頂板厚度測(cè)定方法，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法，對(duì)不同覆巖（鋁土巖及黏土巖）直接頂板厚度進(jìn)行了測(cè)定，并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定鋁土礦地下開采直接頂板厚度測(cè)定手段，為復(fù)雜地質(zhì)條件下鋁土礦直接頂板厚度測(cè)量提供技術(shù)支持。

1 工程概況及礦巖物化性質(zhì)

某鋁土礦礦區(qū)直接頂板主要覆巖為鋁土巖及黏土巖，部分為黃鐵礦化黏土巖。黏土巖及黃鐵礦化黏土巖呈淺灰至灰綠色，硬度為3～4。鋁土巖呈灰至深灰色，致密結(jié)構(gòu)，硬度為4左右，層狀節(jié)理面發(fā)育。主要巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。由表1可知，鋁土巖密度為2.460 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為0.213 MPa，內(nèi)摩擦角為36.974°，泊松比為0.35；黏土巖密度為2.398 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為0.193 MPa，內(nèi)摩擦角為38.732°，泊松比為0.35。

主要巖性化學(xué)成分平均值見表2。由表2 可知，鋁土巖主要成分為Al2O3，SiO2，CaO 和Fe2O3，黏土巖主要成分為Al2O3，SiO2和CaO。

2 直接頂板厚度測(cè)定方法

2.1 聲波探測(cè)反射法

聲波探測(cè)反射法主要設(shè)備為聲波檢測(cè)儀，聲波檢測(cè)儀由儀器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分組成［12］。其工作流程如圖1所示。由圖1可知，被接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后再經(jīng)超聲儀放大顯示在屏幕上，用超聲儀測(cè)量收到超聲信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)。目前在介質(zhì)探測(cè)中常用的聲學(xué)參數(shù)為聲速波速、振幅、頻率以及波形。

聲波探測(cè)反射法被廣泛應(yīng)用于煤礦綜采工作面頂煤厚度探測(cè)、地下硐室圍巖松弛帶范圍測(cè)定、地下工程巖柱穩(wěn)定性測(cè)定、巖體的動(dòng)力彈性參數(shù)測(cè)定及鉆井剖面檢測(cè)。

2.2 數(shù)字式全景鉆孔攝像法

國際上最具代表性的2 種數(shù)字鉆孔光學(xué)成像系統(tǒng)是數(shù)字光學(xué)前景鉆孔電視與數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)［13］。

數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)包括主機(jī)、探頭等精密傳感器件，線纜、分析軟件等。該系統(tǒng)是把一自帶光源的攝像探頭放入地下鉆孔中，可觀測(cè)到地層巖性、巖石結(jié)構(gòu)的完整性和巖體裂縫帶內(nèi)巖層的裂縫發(fā)育寬度等數(shù)據(jù)，通過軟件分析系統(tǒng)及圖像處理系統(tǒng)將獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換成全景圖片。其工作原理如圖2 所示。由圖2 可知，首先經(jīng)過光學(xué)變換形成數(shù)字化全景圖像，建立原鉆孔與全景圖像的變換關(guān)系，然后通過該軟件，實(shí)現(xiàn)全景圖像到鉆孔巖心圖的同步顯示。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，這種技術(shù)可以被用于識(shí)別、估計(jì)和測(cè)量地質(zhì)特征，區(qū)分巖性，超前勘探等。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法

基于地下物質(zhì)介電常數(shù)的不同，地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線發(fā)射的高頻電磁脈沖波的反射來探測(cè)目標(biāo)體。在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過程中，由放置在采場(chǎng)空區(qū)的發(fā)射天線將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電磁波，并以寬頻帶短脈沖形式定向發(fā)送至頂板圍巖中，而不同介電常數(shù)的介質(zhì)對(duì)高頻電磁波具有不同的波阻能力，因此當(dāng)頂板中介質(zhì)介電常數(shù)不同時(shí)，便會(huì)對(duì)高頻電磁波產(chǎn)生折射和反射。其地質(zhì)雷達(dá)工作原理如圖3所示。

由圖3可知，雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，發(fā)生的反射和能量衰減的速度不同，得到的雷達(dá)圖像的波形特征、頻率、振幅及相位不同。因此可通過分析雷達(dá)圖像來確定礦體直接頂板和間接頂板的交界面位置，從而判斷直接頂板厚度。

地質(zhì)雷達(dá)是一種對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有十分重要意義的探測(cè)手段，主要應(yīng)用領(lǐng)域有礦山、軍事、交通、水利、市政及考古等。礦山工程主要是巖層厚度測(cè)定、巷道物探等。

2.4 方法優(yōu)選

根據(jù)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、超聲波探測(cè)及數(shù)字式全景鉆孔攝像的技術(shù)研究分析，結(jié)合某鋁土礦的直接頂板賦存條件和特點(diǎn)，3 種頂板厚度測(cè)定技術(shù)方法優(yōu)缺點(diǎn)如表3 所示。由表3 可知，3 個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)更能滿足本次直接頂板厚度測(cè)定技術(shù)要求，所以選擇地質(zhì)雷達(dá)法。

3 工業(yè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備選型

目前地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)比較成熟，國內(nèi)外產(chǎn)品豐富，根據(jù)國內(nèi)外地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)狀對(duì)比調(diào)研報(bào)告的結(jié)果，最終篩選了青島電波研究所生產(chǎn)的LTD 地質(zhì)雷達(dá)、美國地球物理探測(cè)設(shè)備公司生產(chǎn)的SIR 系列地質(zhì)雷達(dá)及南非陸泰克公司生產(chǎn)的SSP 地質(zhì)雷達(dá)作為3 種備選方案。LTD 地質(zhì)雷達(dá)、SIR 地質(zhì)雷達(dá)及SSP 地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備如圖4所示。

（1）LTD地質(zhì)雷達(dá)（圖4（a））。LTD地質(zhì)雷達(dá)是由青島電波研究所開發(fā)的系類產(chǎn)品，包含有LTD2600等產(chǎn)品。LTD 地質(zhì)雷達(dá)主要由一體化主機(jī)、天線、實(shí)時(shí)采集軟件和事后處理軟件等相關(guān)配件組成。隧道超前預(yù)報(bào)檢測(cè)配置GC100MHz低頻屏蔽天線，可對(duì)掌子面前方15～30 m 的溶洞、斷層、富水等地質(zhì)病害進(jìn)行探查。100 MHz 天線搭配400 MHz 天線也可以做隧道仰拱檢測(cè)。

（2）GSSI 地質(zhì)雷達(dá)（圖4（b））。美國GSSI 公司的產(chǎn)品遍布全球，目前超過7 500 多套，在中國1 000多套。美國GSSI 公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)主要包含SIR-30E 及SIR-4000系列，這2種主機(jī)可以兼容的天線頻率范圍最寬天線種類包括：①低頻組合天線；②單體屏蔽天線；③井中天線；④喇叭空耦天線。

（3）SSP 地質(zhì)雷達(dá)（圖4（c））。南非陸泰克集團(tuán)是南非Reunert 有限公司的一部分，是專門從事電子行業(yè)和國防工業(yè)的集團(tuán)公司。SSP 地質(zhì)雷達(dá)頻率在350～1 700 MHz，在探測(cè)深度7 m 的情況下，其中心的頻率在350～500 MHz，探測(cè)精度大概為5 cm。

某鋁土礦礦區(qū)直接頂板主要為鋁土巖及黏土巖，部分為黃鐵礦化黏土巖，礦體的間接頂板為擺佐組的白云巖，由于鋁土礦存在著直接頂板穩(wěn)固性差、礦體厚度不穩(wěn)定的問題，造成了開采過程中頂板管理難度較大?，F(xiàn)有的采礦方法多采用護(hù)頂房柱法，留礦壁及打錨桿錨網(wǎng)來維護(hù)頂板穩(wěn)定，由于這種方法無法準(zhǔn)確估計(jì)礦體厚度及直接頂板厚度，因此也無法準(zhǔn)確留設(shè)護(hù)頂?shù)V的厚度，造成礦石的損失率增大。本研究分析了測(cè)量采場(chǎng)中頂板厚度的研究方法，探索鋁土礦頂板厚度快速探測(cè)方法，最終選擇了南非陸泰克公司生產(chǎn)的SSP 地質(zhì)雷達(dá)來測(cè)量礦體直接頂板厚度。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)

相關(guān)技術(shù)人員同SSP 技術(shù)人員對(duì)某鋁土礦直接頂板厚度進(jìn)行了2 次現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工業(yè)試驗(yàn)，均采用SSP地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行掃描探測(cè)，然后分析掃描圖像，得出某鋁土礦采區(qū)直接頂板厚度數(shù)據(jù)。實(shí)際頂板厚度則采用地質(zhì)鉆和鑿巖臺(tái)車對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)的直接頂板厚度進(jìn)行打鉆獲取。第一次現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)為礦區(qū)1 160 m 中段北部10#采場(chǎng)10-1 平巷和10-2 上山，共探測(cè)6 個(gè)孔。第二次現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)為南部，1#采場(chǎng)1-2 切割平巷，7#采場(chǎng)7-2 切割平巷，共計(jì)6 個(gè)孔；北部0#采場(chǎng)下部0-2 切割上山，0#采場(chǎng)上部0-1 切割平巷，N-1 采場(chǎng)上部N-1-1 切割平巷，共計(jì)12 個(gè)孔。其SSP 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及實(shí)際頂板打孔取樣如圖5 所示。SSP 地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像數(shù)據(jù)如圖6 所示。

3.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果分析

SSP 直接頂板厚度測(cè)量數(shù)據(jù)與鑿巖打孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，10#采場(chǎng)鉆孔測(cè)量的頂板厚度與SSP測(cè)量的頂板厚度差值在1～5 cm，說明地質(zhì)雷達(dá)能較準(zhǔn)確地測(cè)定出直接頂板黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限。而南部1#、7#和北部0#、N-1#采場(chǎng)直接頂板垂直厚度測(cè)定與鉆孔驗(yàn)證厚度差值10～89 cm，且隨著垂直頂板厚度的增加，差值越來越大，說明直接頂板垂直厚度越大，SSP 測(cè)定的直接頂板黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限不清。為了清楚地了解兩者直接的差值所占比重，分別做出鉆孔實(shí)際厚度與SSP 測(cè)量厚度差值在鉆孔實(shí)際厚度中所占的比重以及兩者差值隨垂直厚度的分布規(guī)律，如圖7、圖8所示。

由圖7及圖8可知，前16組試驗(yàn)測(cè)試中，SSP地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定的厚度與鉆孔驗(yàn)證厚度誤差范圍在0.34 m內(nèi)，換算成百分百，誤差在18%以內(nèi)，說明SSP地質(zhì)雷達(dá)可以較準(zhǔn)確地測(cè)定出黏土巖（鋁土巖）與白云巖的界限，滿足鋁土礦直接頂板厚度測(cè)量精度高的要求。且研究發(fā)現(xiàn)SSP 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定厚度到4 m 及以上時(shí)，SSP 測(cè)定的厚度與鉆孔驗(yàn)證厚度兩者差0.9 m 左右，誤差達(dá)20%以上，這表明SSP 地質(zhì)雷達(dá)不適合測(cè)定4 m 以上的直接頂板，這主要因?yàn)楫?dāng)直接頂板達(dá)4 m 以上時(shí)，礦體與直接頂板的介電常數(shù)極為相似，SSP 地質(zhì)雷達(dá)無法探測(cè)礦體與黏土巖的界限。

綜上所述，根據(jù)19 組現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，SSP 地質(zhì)雷達(dá)可以較準(zhǔn)確地測(cè)定鋁土礦直接頂板低于4 m 的厚度，故可作為礦區(qū)直接頂板厚度測(cè)量的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、超聲波探測(cè)及數(shù)字式全景鉆孔攝像3種測(cè)定方法優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)作為某鋁土礦直接頂板厚度測(cè)定技術(shù)手段。

（2）根據(jù)礦區(qū)直接頂板巖層特性，最終采用SSP地質(zhì)雷達(dá)來測(cè)量礦體直接頂板厚度。

（3）當(dāng)直接頂板厚度低于4 m時(shí)，SSP地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定的厚度與鉆孔驗(yàn)證厚度誤差在18%以內(nèi)，即SSP地質(zhì)雷達(dá)可以較準(zhǔn)確地測(cè)定鋁土礦直接頂板低于4 m厚度。

（4）SSP 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定得出的數(shù)據(jù)能滿足礦區(qū)對(duì)頂板測(cè)定設(shè)備的試驗(yàn)要求，故可作為礦區(qū)直接頂板厚度測(cè)量的技術(shù)手段。