某地下开采铝土矿直接顶板厚度测定技术研究

时间：2024-07-28

余一松朱志根刘家明李华华

（长沙有色冶金设计研究院有限公司）

世界铝土矿储量丰富，分布不均衡。目前，国外铝土矿总生产能力在1.5亿t/a以上，露天开采占世界铝土矿产能90%～95%，地下开采只在我国和欧洲小部分地区，产量约占5%～10%［1-2］。我国铝土矿资源大部分采用地下开采的方式，属于难采矿床，铝土矿地下矿山在开采过程中存在诸多问题，主要表现在地下开采回收率低、资源损失浪费严重、围岩破碎不稳固［3］。针对以上问题，学者在铝土矿顶板稳定性、破坏类型及机理方面开展了大量研究［4］。王启耀等［5］认为顶板弯曲变形破坏是水平层状围岩的主要破坏方式，变形破坏程度与岩层厚度及层面剪切刚度有关。孙伟等［6］将采场顶板简化为固支的弹性薄板，发现顶板烧度从中央向边缘减小，认为顶板从中部向两帮破坏。贾蓬等［7］对铝土矿多层顶板进行研究，表明最下层中部和端部剪应力集中区最先出现裂纹，中部裂纹由下向上扩展，最终形成3条主裂纹。陈庆港等［8］利用法拉索夫厚板理论，推导了顶板受拉和冲切破坏的临界厚度。研究发现：在剪切应力主导作用下，顶板整体跨落，在剪切应力和拉应力共同作用下，顶板拱形冒落。张树光等［9］用离散元分析了内摩擦角对顶板稳定性的影响，发现随着摩擦角增大，顶板变形减小，由滑动破坏向弯曲破坏过渡。

目前关于岩层厚度测定的研究主要集中在煤层厚度，并不适用于金属矿。同时，针对地下铝土矿的相关开采技术研究也甚少，尤其是对于缓倾斜层状岩体中采场直接顶板稳定性的研究［10-11］。本研究基于铝土矿顶板岩层非均匀性特性，以贵州某铝土矿为工程地质背景，优选出直接顶板厚度测定方法，采用地质雷达探测法，对不同覆岩（铝土岩及黏土岩）直接顶板厚度进行了测定，并进行工业试验验证，最终确定铝土矿地下开采直接顶板厚度测定手段，为复杂地质条件下铝土矿直接顶板厚度测量提供技术支持。

1 工程概况及矿岩物化性质

某铝土矿矿区直接顶板主要覆岩为铝土岩及黏土岩，部分为黄铁矿化黏土岩。黏土岩及黄铁矿化黏土岩呈浅灰至灰绿色，硬度为3～4。铝土岩呈灰至深灰色，致密结构，硬度为4左右，层状节理面发育。主要岩层物理力学性质见表1。由表1可知，铝土岩密度为2.460 g/cm3，单轴抗压强度为0.213 MPa，内摩擦角为36.974°，泊松比为0.35；黏土岩密度为2.398 g/cm3，单轴抗压强度为0.193 MPa，内摩擦角为38.732°，泊松比为0.35。

主要岩性化学成分平均值见表2。由表2 可知，铝土岩主要成分为Al2O3，SiO2，CaO 和Fe2O3，黏土岩主要成分为Al2O3，SiO2和CaO。

2 直接顶板厚度测定方法

2.1 声波探测反射法

声波探测反射法主要设备为声波检测仪，声波检测仪由仪器硬件系统、数据采集控制系统和数据处理系统三大部分组成［12］。其工作流程如图1所示。由图1可知，被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪放大显示在屏幕上，用超声仪测量收到超声信号的声学参数。目前在介质探测中常用的声学参数为声速波速、振幅、频率以及波形。

声波探测反射法被广泛应用于煤矿综采工作面顶煤厚度探测、地下硐室围岩松弛带范围测定、地下工程岩柱稳定性测定、岩体的动力弹性参数测定及钻井剖面检测。

2.2 数字式全景钻孔摄像法

国际上最具代表性的2 种数字钻孔光学成像系统是数字光学前景钻孔电视与数字式全景钻孔摄像系统［13］。

数字式全景钻孔摄像系统包括主机、探头等精密传感器件，线缆、分析软件等。该系统是把一自带光源的摄像探头放入地下钻孔中，可观测到地层岩性、岩石结构的完整性和岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度等数据，通过软件分析系统及图像处理系统将获取的信号转换成全景图片。其工作原理如图2 所示。由图2 可知，首先经过光学变换形成数字化全景图像，建立原钻孔与全景图像的变换关系，然后通过该软件，实现全景图像到钻孔岩心图的同步显示。在现场应用中，这种技术可以被用于识别、估计和测量地质特征，区分岩性，超前勘探等。

2.3 地质雷达探测法

基于地下物质介电常数的不同，地质雷达利用发射天线发射的高频电磁脉冲波的反射来探测目标体。在地质雷达探测过程中，由放置在采场空区的发射天线将电信号转换为高频电磁波，并以宽频带短脉冲形式定向发送至顶板围岩中，而不同介电常数的介质对高频电磁波具有不同的波阻能力，因此当顶板中介质介电常数不同时，便会对高频电磁波产生折射和反射。其地质雷达工作原理如图3所示。

由图3可知，雷达天线发射的电磁波在不同介质内传播时，发生的反射和能量衰减的速度不同，得到的雷达图像的波形特征、频率、振幅及相位不同。因此可通过分析雷达图像来确定矿体直接顶板和间接顶板的交界面位置，从而判断直接顶板厚度。

地质雷达是一种对国民经济发展有十分重要意义的探测手段，主要应用领域有矿山、军事、交通、水利、市政及考古等。矿山工程主要是岩层厚度测定、巷道物探等。

2.4 方法优选

根据对地质雷达探测、超声波探测及数字式全景钻孔摄像的技术研究分析，结合某铝土矿的直接顶板赋存条件和特点，3 种顶板厚度测定技术方法优缺点如表3 所示。由表3 可知，3 个方案各有优缺点，采用地质雷达探测更能满足本次直接顶板厚度测定技术要求，所以选择地质雷达法。

3 工业试验及结果分析

3.1 地质雷达设备选型

目前地质雷达技术比较成熟，国内外产品丰富，根据国内外地质雷达现状对比调研报告的结果，最终筛选了青岛电波研究所生产的LTD 地质雷达、美国地球物理探测设备公司生产的SIR 系列地质雷达及南非陆泰克公司生产的SSP 地质雷达作为3 种备选方案。LTD 地质雷达、SIR 地质雷达及SSP 地质雷达设备如图4所示。

（1）LTD地质雷达（图4（a））。LTD地质雷达是由青岛电波研究所开发的系类产品，包含有LTD2600等产品。LTD 地质雷达主要由一体化主机、天线、实时采集软件和事后处理软件等相关配件组成。隧道超前预报检测配置GC100MHz低频屏蔽天线，可对掌子面前方15～30 m 的溶洞、断层、富水等地质病害进行探查。100 MHz 天线搭配400 MHz 天线也可以做隧道仰拱检测。

（2）GSSI 地质雷达（图4（b））。美国GSSI 公司的产品遍布全球，目前超过7 500 多套，在中国1 000多套。美国GSSI 公司生产的地质雷达主要包含SIR-30E 及SIR-4000系列，这2种主机可以兼容的天线频率范围最宽天线种类包括：①低频组合天线；②单体屏蔽天线；③井中天线；④喇叭空耦天线。

（3）SSP 地质雷达（图4（c））。南非陆泰克集团是南非Reunert 有限公司的一部分，是专门从事电子行业和国防工业的集团公司。SSP 地质雷达频率在350～1 700 MHz，在探测深度7 m 的情况下，其中心的频率在350～500 MHz，探测精度大概为5 cm。

某铝土矿矿区直接顶板主要为铝土岩及黏土岩，部分为黄铁矿化黏土岩，矿体的间接顶板为摆佐组的白云岩，由于铝土矿存在着直接顶板稳固性差、矿体厚度不稳定的问题，造成了开采过程中顶板管理难度较大。现有的采矿方法多采用护顶房柱法，留矿壁及打锚杆锚网来维护顶板稳定，由于这种方法无法准确估计矿体厚度及直接顶板厚度，因此也无法准确留设护顶矿的厚度，造成矿石的损失率增大。本研究分析了测量采场中顶板厚度的研究方法，探索铝土矿顶板厚度快速探测方法，最终选择了南非陆泰克公司生产的SSP 地质雷达来测量矿体直接顶板厚度。

3.2 工业试验

相关技术人员同SSP 技术人员对某铝土矿直接顶板厚度进行了2 次现场探测工业试验，均采用SSP地质雷达进行扫描探测，然后分析扫描图像，得出某铝土矿采区直接顶板厚度数据。实际顶板厚度则采用地质钻和凿岩台车对试验地点的直接顶板厚度进行打钻获取。第一次现场工业试验地点为矿区1 160 m 中段北部10#采场10-1 平巷和10-2 上山，共探测6 个孔。第二次现场工业试验地点为南部，1#采场1-2 切割平巷，7#采场7-2 切割平巷，共计6 个孔；北部0#采场下部0-2 切割上山，0#采场上部0-1 切割平巷，N-1 采场上部N-1-1 切割平巷，共计12 个孔。其SSP 地质雷达现场测量及实际顶板打孔取样如图5 所示。SSP 地质雷达扫描图像数据如图6 所示。

3.3 工业试验结果分析

SSP 直接顶板厚度测量数据与凿岩打孔验证数据如表4所示。由表4可知，10#采场钻孔测量的顶板厚度与SSP测量的顶板厚度差值在1～5 cm，说明地质雷达能较准确地测定出直接顶板黏土岩（铝土岩）与白云岩的界限。而南部1#、7#和北部0#、N-1#采场直接顶板垂直厚度测定与钻孔验证厚度差值10～89 cm，且随着垂直顶板厚度的增加，差值越来越大，说明直接顶板垂直厚度越大，SSP 测定的直接顶板黏土岩（铝土岩）与白云岩的界限不清。为了清楚地了解两者直接的差值所占比重，分别做出钻孔实际厚度与SSP 测量厚度差值在钻孔实际厚度中所占的比重以及两者差值随垂直厚度的分布规律，如图7、图8所示。

由图7及图8可知，前16组试验测试中，SSP地质雷达测定的厚度与钻孔验证厚度误差范围在0.34 m内，换算成百分百，误差在18%以内，说明SSP地质雷达可以较准确地测定出黏土岩（铝土岩）与白云岩的界限，满足铝土矿直接顶板厚度测量精度高的要求。且研究发现SSP 地质雷达测定厚度到4 m 及以上时，SSP 测定的厚度与钻孔验证厚度两者差0.9 m 左右，误差达20%以上，这表明SSP 地质雷达不适合测定4 m 以上的直接顶板，这主要因为当直接顶板达4 m 以上时，矿体与直接顶板的介电常数极为相似，SSP 地质雷达无法探测矿体与黏土岩的界限。

综上所述，根据19 组现场工业试验验证可知，SSP 地质雷达可以较准确地测定铝土矿直接顶板低于4 m 的厚度，故可作为矿区直接顶板厚度测量的技术手段。