淺談TRT及鉆探綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在礦山的應(yīng)用

孫天學(xué)，文孝貴，劉寶川

（1.五礦邯邢礦業(yè)邯鄲地質(zhì)勘查有限公司，河北 邯鄲 056003；2.河北省武安市西石門鐵礦，河北 武安 056303）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對礦山資源的開采步伐也在加快。但是由于許多老礦山經(jīng)歷了多年開采，資源日趨緊張，探采深部資源迫在眉睫。由于深部地質(zhì)條件相對復(fù)雜，礦山在探采深部資源的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)峻的安全問題，比如突水、冒頂?shù)?。為了防止安全事故的發(fā)生，TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)被引用到了礦山。

目前，TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要被應(yīng)用在公路隧道的施工中，在預(yù)報(bào)溶洞、斷層破碎帶、復(fù)雜地層條件等方面取得了許多成功的實(shí)例，得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。在礦山應(yīng)用方面，如何將TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)與鉆探技術(shù)相結(jié)合，使其在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的賦存位置、規(guī)模及形態(tài)、不明采空區(qū)的賦存位置、含水情況等方面發(fā)揮重要作用，這是值得探討的問題。

1 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作原理及特點(diǎn)

1.1 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)工作原理

TRT是英文Tunnel Reflection Tomography的縮寫。TRT系統(tǒng)的工作原理就是基于地震波（彈性波）的反射原理，當(dāng)彈性波遇到聲學(xué)阻抗差異（即巖石波阻抗，為巖石密度和縱波波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：R——反射系數(shù)；

ρ1、ρ2——巖層的密度；

V1、V2——地震波在巖層中的傳播速度。

地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能浶缘刭|(zhì)體傳播到硬質(zhì)地質(zhì)體時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易被探測到。

圖1 TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)使用示意圖

1.2 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)特點(diǎn)

（1）操作簡便，成本低

傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，大大簡化了裝備；使用錘擊作為震源，可重復(fù)利用，不需要耗材。

（2）采集信息全面、直觀

采用三維數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了三維空間觀測，可以清楚直觀的反映地質(zhì)體異常情況，能更有效地對反射異常區(qū)域進(jìn)行識(shí)別與解釋。

2 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的探測方法

2.1 儀器設(shè)備

專用筆記本電腦、基站、帶觸發(fā)器的錘子、傳感器、無線模塊及配套設(shè)備、測量儀器等。

圖2 TRT6000震源及傳感器布置圖

2.2 探測方法

TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的探測方法可簡要概括為：一點(diǎn)激發(fā)，多點(diǎn)接收，然后多次重復(fù)該過程在不同的位置激發(fā)地震波，得到多組地震波傳播數(shù)據(jù)。操作人員運(yùn)用專業(yè)運(yùn)算程序?qū)ζ溥M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到三維空間分布的反射能量圖像。具體探測方法：

（1）震源點(diǎn)及傳感器的布置

震源點(diǎn)一般布設(shè)在靠近掌子面巷道的兩幫上，震源點(diǎn)及傳感器在巷道的布置（見圖2），要求最高與最低位置傳感器的差值必須大于2.5m。

（2）無線傳輸模塊的安裝

操作人員安裝傳感器及無線傳輸模塊；測量人員測量震源點(diǎn)與傳感器點(diǎn)絕對坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）或者相對坐標(biāo)，精度一般要求精確到10cm內(nèi)。

（3）建立基站，連接電腦，初始化采集程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

對設(shè)備正確連接后，打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行采集程序，開始工作。原則要求每個(gè)傳感器及無線傳輸模塊都運(yùn)行正常才開展預(yù)報(bào)工作。

（4）震源激發(fā)

TRT使用重錘錘擊指定的震源點(diǎn)激發(fā)地震波，同一組錘擊的位置不可改變。錘擊觸發(fā)時(shí)必須用力錘擊震源點(diǎn)，一次激發(fā)成功，才能獲得最佳的彈性波傳播能量。

（5）數(shù)據(jù)處理

該操作一般在室內(nèi)完成，把現(xiàn)場采集到的地震波數(shù)據(jù)，導(dǎo)入專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 TRT與鉆探成果驗(yàn)證對比分析

鉆探技術(shù)是獲得地下蘊(yùn)藏的真實(shí)地質(zhì)資料和直接信息的一種技術(shù)。通過鉆探可對所取得的地質(zhì)和礦產(chǎn)資源參數(shù)作出評價(jià)（李樹德等，2007）。為了分析TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的精確度，我們將鉆探成果圖與TRT探測成果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證探測成果的可靠性，從而減少鉆探的工程投入，并確保了深部開拓的安全。

3.1 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測成果

礦區(qū)正在施工的穿脈，位于礦區(qū)穩(wěn)定水位以下，根據(jù)已有資料分析，施工掌子面前方存在民采空區(qū)的可能性較大，但具體位置不詳。利用TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場探測，探測成果如下：

預(yù)報(bào)距離為80m；探測結(jié)論：第一個(gè)異常在圖中的分布為：中心線右側(cè)5m至右邊20m，掌子面前方60～70m，可能為破碎帶或節(jié)理裂隙帶。第二個(gè)異常區(qū)域：中心線右側(cè)5m至右邊15m，掌子面前方85m，有明顯低阻抗含水異常，可能存在采空或巷道。

圖3 穿脈TRT探測結(jié)果示意圖（俯視）

3.2 TRT與鉆探成果驗(yàn)證對比分析

該位置施工4個(gè)鉆孔，其中有三個(gè)鉆孔揭露空區(qū)。揭露的巖性主要為閃長巖，次為矽卡巖。鉆孔TSA9揭露的空區(qū)（孔深47.65～52.25m）和鉆孔TSA10揭露的空區(qū)（孔深43.0～47.4m）及鉆孔TSA8揭露的空區(qū)（孔深51.00～55.80m）具有明顯的傾向和走向，根據(jù)剖面推測空區(qū)傾向近乎直立，走向北東，走向延長不詳，空區(qū)內(nèi)為渣充填，巖性以閃長巖為主，次為矽卡巖。對于TRT探測的第一處異?？赡転樵摽諈^(qū)引起。對于第二處異常沒有進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，主要是因?yàn)殂@孔無法施工到該異常區(qū)域。

圖4 綜合成果對比示意圖

通過對比分析可以看出，TRT探測成果與鉆探成果基本吻合。

圖5 穿脈地質(zhì)剖面示意圖

4 綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用成效

4.1 TRT圖像特征及鉆探布孔原則

我們經(jīng)過不斷摸索和實(shí)踐，對不同的地質(zhì)異常體引起的TRT圖像的地球物理特征及相應(yīng)的鉆探布孔方法進(jìn)行了總結(jié)，使綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在礦山的應(yīng)用進(jìn)一步完善。

（1）斷層破碎帶

對于TRT探測圖像由斷層破碎帶引起，其圖像特征：正負(fù)反射層多且雜亂，由于斷層及破碎帶與兩側(cè)巖體存在十分明顯的速度差異，因而是較強(qiáng)的波阻抗界面。

鉆探布孔一般2個(gè)，鉆孔方位一般要垂直于斷層破碎帶的走向，鉆孔設(shè)計(jì)孔深穿過較強(qiáng)的波阻抗界面10～20m，第一個(gè)鉆孔穿過異常區(qū)域的中心位置，第二個(gè)鉆孔要控制斷層破碎帶的走向，兩個(gè)鉆孔的孔底距一般不少于20m，同時(shí)要保證巷道掘進(jìn)的超前距不少于20m。

（2）富水巖層

對于TRT探測圖像由富水巖層引起，其圖像特征：巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，則反射帶內(nèi)正負(fù)反射層較多，以負(fù)反射為主；若巖體內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，則反射帶內(nèi)正負(fù)發(fā)射層較少，以正反射為主。

鉆探布孔一般2個(gè)，鉆孔方位一般要垂直于富水巖層的走向，鉆孔設(shè)計(jì)孔深揭穿低阻抗連續(xù)帶的頂板10～20m，第一個(gè)鉆孔穿過異常區(qū)域的中心位置，第二個(gè)鉆孔要控制富水巖層的走向，兩個(gè)鉆孔的孔底距一般不少于20m，同時(shí)要保證巷道掘進(jìn)超前距不少于20m。

（3）采空區(qū)

無論空區(qū)是有充填型還是無充填型，其TRT探測圖像的共同特征：以負(fù)反射為主，反射帶內(nèi)正負(fù)反射相間、正負(fù)反射具有一定的連續(xù)性。

鉆探布孔一般2～3個(gè)，鉆孔方位一般要垂直于采空區(qū)的走向，鉆孔設(shè)計(jì)孔深揭穿正負(fù)反射帶的頂板10～20m，第一個(gè)鉆孔穿過異常區(qū)域的中心位置，第二和第三個(gè)鉆孔要控制采空區(qū)的形態(tài)，設(shè)計(jì)鉆孔的孔底距一般不少于20m，同時(shí)要保證巷道掘進(jìn)超前距不少于20m。

4.2 綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用成效

（1）節(jié)約了礦山的成本投入

由于礦區(qū)需要探測的部位絕大多數(shù)位于穩(wěn)定水位以下，因而礦山堅(jiān)持“有疑必探、先探后掘”的施工管理原則，以防止安全事故的發(fā)生。如不先進(jìn)行TRT探測，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范要求，每個(gè)掌子面中長探水孔一般要布置5個(gè)孔，利用TRT探測后，前方有異常一般布設(shè)2～3個(gè)探水孔，沒有異常最多布設(shè)1個(gè)探水孔，這樣既節(jié)約了礦山的成本投入，同時(shí)也縮短了探水所占用的鉆探時(shí)間。

（2）保證了深部開拓工程的施工安全

TRT及鉆探綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要被用于預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的賦存位置、規(guī)模及形態(tài)、不明采空區(qū)的賦存位置、含水情況等。實(shí)踐證明，2011年在礦區(qū)深部（穩(wěn)定水位以下）共進(jìn)行了三十多次TRT探測，設(shè)計(jì)鉆孔40多個(gè)，有效地保證了2000多米深部開拓工程安全順利完成。

5 結(jié)語

通過TRT及鉆探綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在礦山的應(yīng)用，總結(jié)了TRT圖像的地球物理特征及相應(yīng)的鉆探布孔原則，摸索出了適合礦山的TRT及鉆探綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)。該技術(shù)在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的賦存位置、規(guī)模及形態(tài)、不明采空區(qū)的賦存位置、含水情況等方面可以滿足礦山實(shí)際生產(chǎn)的需要，因而在礦山具有良好地應(yīng)用前景。