技术 | 岩溶区石灰石矿山溶洞探测分析

某水泥于2009年投产，现有一条5000t/d熟料生产线(年产水泥约200万t)，一条年产100万t的骨料线，矿山由公司承包。蒋源矿区面积1.17km2，矿区所在区域属于亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降水量1600mm。地质报告披露：矿体内岩溶一般发育，分布不均，有时为大的溶洞，有时为构造裂隙溶蚀。溶洞发现位置在矿区西部剥离区+205m平台，北面紧靠旧采坑，此处剥离已接近尾声，矿体即将揭露。

当时钻机在此区域穿孔，施工作业人员发现好几个钻孔穿孔时吹不出钻渣，钻孔内投石无回声，立即将现场情况反馈给管理人员，预判现场有大溶洞。由于矿体裂隙较多，地表覆盖层厚，雨水多，平时可见的溶洞基本都被地表土充填，对施工没有造成太大的影响，这是投产十余年来矿山首次发现有大的空体溶洞。爆破检查溶洞口直径约3m，属于大溶洞，深不见底，由于爆渣覆盖，不能判断溶洞有多大规模及延伸情况。

出于对施工人员、设备安全考虑，立即停止此区域所有施工，所有人员设备立即撤离，并设置警戒隔离区域、警示牌，以防人员、设备误入。待查明溶洞，制定切实可行的方案再恢复施工。

根据现场情况并结合以往施工经验，项目部最终决定从公司调空洞仪对溶洞进行详细探测，依据探测情况再制定下一步施工方案。

2.1 探测设备简介

采用PQWT-KD-50型自动成图空洞仪对溶洞空间分布信息数据进行采集，利用X9型RTK对探测范围实测，并对探测区域内每个方格网点进行放样，以及对溶洞平面分布的坐标数据进行采集。

该型空洞仪有效探测深度为50m，是以大地电磁场为场源，以地下不同地质结构的导电性差异为基础，通过测量不同频率的电场分量的变化规律，来研究地质构造及变化情况，寻找地下采空区、空洞等地质体。仪器可通过检测不同频率段天然电场强度来分析和定位地下空洞位置。空洞仪测量数据无需导入电脑，即可实时在仪器上自动进行计算和分析，并可以自动绘制出空洞位置及深度的地质曲线图和剖面图。

2.2 探测过程

先利用RTK详测拟探测范围内的地形图，通过实测得知，拟探测范围长约64m，宽约28m，然后编制1m×1m方格网探测方案。根据探测方案绘制出1m×1m方格网图，对每个方格点进行编号，将每个方格点的编号及对应坐标数据整理到一张表格，打印或以电子文档直接存人RTK手簿，以备放样使用。通过RTK逐个放样，然后利用空洞仪对每个放样出的方格点逐个进行探测，这样能确保探测范围全覆盖。由于探测范围方格网点较多，不便于全局展示，现仅以一幅示意图体现探测方案，详见图1。

空洞仪电极间距2m，探测点距1m，通过1m× 1m方格网高密度布点探测。凡是有溶洞发现的位置，在现场做出明确标记并写明编号，同时在方格网图纸上对应编号位置做出醒目标记，确保该点编号与该点处探测到的溶洞剖面编号一致，并利用RTK测量存储该点坐标、高程数据，切记不要遗漏任何点，并确保前后编号的一致性、唯一性。由于编号繁多且数据量较大，参与探测的人员要分工明确。经过现场数天的地毯式探测，共探测到两段溶洞，分别命名为L1和L2。溶洞平面分布图见图2。

2.3 数据分析及成图

通过对溶洞发现处各方格点空洞仪成像分析得知，L1、L2溶洞空间分布均具有一定的规律。由于成像数据庞大，在此仅选两幅有代表性的成像图以供参阅，见图3，4。

结合现场查勘及对空洞仪数据分析可知：溶洞L1段在+195m平台以狭沟形式出露，走向长度约10m，急倾斜向下延伸，且从上至下贯通，垂直深度约36m，水平宽度约2m；溶洞L2段深埋在+205m平台约40m之下，发育成洞穴形式，走向长度约27m，水平宽度约3.5m，垂直高度约6m。后经实地查看发现，L2溶洞出口在旧采坑(水塘)上方边坡处出露(此处海拔约为+155m)，降雨时可见渗入溶洞的雨水从溶洞口流出。L1、L2溶洞平面分布详见图1。

通过对空洞仪成像分析，结合现场实际情况，并加以科学推断，利用CAD绘出更简易明了的溶洞剖面图，用以指导矿山施工，详见图5。

图5 L1、L2溶洞断面图

3.1 溶洞处理

L1溶洞已在+195m平台出露，人员、设备时刻有坠人溶洞风险，经项目部讨论决定对L1溶洞进行充填，充填材料使用水泥厂自产的骨料，预估需用约720m3。安排挖掘机对溶洞口周围爆渣进行清理，并对溶洞出露区域所在+195m平台进行场地平整，便于充填材料运输至溶洞附近，一台挖掘机、一台装载机配合往溶洞内回填骨料，回填边界应作出标记，便于后期穿孔爆破等施工作业。溶洞区域应做出警示标志，提醒注意施工安全，人员、设备禁止在回填区停留。随着开采降段，应对该区域溶洞跟踪探测，实时掌握溶洞的变化情况。

L2溶洞以洞穴形式发育，深埋+205m平台约40m之下，预判对施工暂无影响，现阶段先不处理。随着开采降段，应及时进行跟踪探测，进一步探明溶洞发育情况，以便超前采取措施。

3.2 凿岩爆破

对于L1溶洞，虽然已回填，仍需明确范围边界。钻机站位应避开溶洞回填区，以免突然塌陷造成危险，布孔、穿孔也应避开溶洞回填区，穿孔位置距溶洞边界应保持2m以上距离。布孔完成后，可利用空洞仪对靠近溶洞的布孔点进行详探，确定布孔点距溶洞顶板距离，以便合理设计钻孔深度。合理选择穿孑L角度，避免穿透溶洞顶板或孔底过于接近溶洞顶板，导致炸药泄能，影响爆破效果。此外应合理选择起爆方向，充分考虑溶洞位置，选择最佳的起爆方向。

对于L2溶洞，当施工至距溶洞顶板约一个台段厚度时，利用空洞仪对溶洞进行详探(方格网法)，圈定溶洞范围。在溶洞圈定范围内布孔，再利用空洞仪探测每个布孔点距溶洞顶板的距离，设计凿岩孔深，安排轻型钻机(穿孔直径90mm)进行凿岩作业，钻孔完成后，确保孔底距溶洞顶板的距离不少于1～1.5m，避免爆破击穿溶洞顶板，以达到溶洞区整体爆破崩落的效果，彻底消除溶洞隐患。

3.3 挖装运输

挖装作业前，应明确溶洞范围，并做出醒目标记。因爆破等施工因素造成溶洞范围不明确的，禁止开展一切作业，先利用空洞仪探测出溶洞范围，并做出醒目标记后，方可开始施工作业。在溶洞区挖装作业时，挖掘机应避免在溶洞区站位作业，保持距溶洞边界有5m以上的安全距离。

车辆在溶洞附近区域运输作业时，载重车辆禁止在溶洞回填区穿行或靠近溶洞回填区行走，车辆应行走在距溶洞边界5m之外范围。避免塌陷造成车辆侧翻等危险发生。

剥离区溶洞发现后，项目部果断停止该区域的所有施工，撤离所有人员、设备，封锁施工区域，最大限度保障了安全生产。从公司调空洞仪进行溶洞探测，经过数天的详细探测，基本查清了该区域的溶洞发育规模、空间延伸状态，为编制溶洞区矿山开采方案、制定应急预案、恢复生产等提供了有力的科学依据，为后续的安全施工提供了可靠保障，也为处理其他岩溶区石灰石矿山溶洞探测及矿山安全开采等问题积累了宝贵经验。

此次选用的空洞仪有效探测距离为50m，随着开采降段，应注意加强跟踪探测，以及时掌握深部地层中溶洞发育情况，为矿山开采编制应对预案提供依据，为矿山持续的安全生产提供强有力的保障。

作者：田书军1，吕波1，全寿福2，彭炳洋2

来源：《1兖州中材建设有限公司；2江西南城南方水泥有限公司》

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