TSP技術(shù)在礦山井巷掘進(jìn)及采礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉建喜　班林杰　張海濤

摘要：TSP技術(shù)在隧道預(yù)報(bào)中具有無(wú)法比擬的地位，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于采礦生產(chǎn)和礦山井巷掘進(jìn)中。由于TSP技術(shù)能及時(shí)預(yù)報(bào)不良地質(zhì)帶，準(zhǔn)確提供預(yù)報(bào)，避免了安全事故發(fā)生也降低了工程成本。文章以TSP技術(shù)的工作原理為主，淺析了采礦生產(chǎn)和礦山井巷掘進(jìn)過(guò)程中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TSP技術(shù)；礦山井巷掘進(jìn)；采礦生產(chǎn)；安全事故；超前預(yù)報(bào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TD26 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0313

眾所周知，采礦生產(chǎn)與礦山井巷掘進(jìn)經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境影響和地質(zhì)影響，出現(xiàn)安全事故隱患。因此，開(kāi)發(fā)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)勢(shì)在必行。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，電磁法、機(jī)械鉆探法以及遠(yuǎn)紅外線等方法都已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)，地震法逐漸向超前預(yù)報(bào)過(guò)渡。超前預(yù)報(bào)的主流方式包括以下幾種：TST、HSP、TGP、TSP等。在西方國(guó)家，TSP已經(jīng)有了多年的應(yīng)用歷史，并不斷改進(jìn)升級(jí)。只有不斷加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，才能讓TSP技術(shù)在采礦生產(chǎn)與礦山井巷掘進(jìn)中發(fā)揮最大效能。

1 TSP超前預(yù)報(bào)工作原理

由于礦山地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，在開(kāi)采施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到破碎帶、不良地質(zhì)等方面影響。隨著開(kāi)采力度的不斷加大，安全事故也屢屢發(fā)生。受到地質(zhì)環(huán)境影響，也增加了開(kāi)采難度。在施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)涌水、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，這就需要在掘進(jìn)過(guò)程中增加超前支護(hù)措施。其中，安全系數(shù)和掘進(jìn)速度取決于巖石的巖質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造，準(zhǔn)確查出實(shí)際地質(zhì)情況并采取有效施工方式尤為重要。但由于不同地質(zhì)中存在不同巖體特征，這就需要在掘進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程中增加地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。目前超前探測(cè)的方法多種多樣，但傳統(tǒng)方式不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求，且費(fèi)用高速度慢，因此開(kāi)發(fā)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

圖1 TSP超前預(yù)報(bào)工作原理圖

瑞士安博格公司研發(fā)的TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具有預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、適用范圍廣以及數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單且無(wú)施工干擾等特點(diǎn)，在復(fù)雜地質(zhì)預(yù)報(bào)中，有較強(qiáng)的應(yīng)用效果。其利用地震波反射原理，需要人工制造地震震源，并通過(guò)接收器和傳感器接收并分析處理數(shù)據(jù)。具體工作原理如圖1所示。

通常情況下，采用小劑量炸藥進(jìn)行爆破，通過(guò)震波沿著巷道剖面?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)行球面?zhèn)鞑?。?dāng)波動(dòng)遇到巖體阻礙時(shí)就會(huì)發(fā)生折射或反射，反射引號(hào)的信息被地震檢波器接收記錄。同時(shí)，由于折射波會(huì)一直傳播，遇到不同介質(zhì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的折射反應(yīng)。通過(guò)分析反射波或折射波時(shí)間曲線，可以計(jì)算出斷層或巖層的距離和位置。利用TSP配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估，可以得出需要的數(shù)據(jù)參數(shù)，如泊松比、巖石密度等。TSP還可以發(fā)現(xiàn)井下的斷層以及含水帶和災(zāi)害帶等地質(zhì)環(huán)境，精確度一定達(dá)到了200m。利用TSP預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行采礦生產(chǎn)或礦山開(kāi)采，能減少意外險(xiǎn)情，減少事故隱患，增加可預(yù)見(jiàn)性。在預(yù)報(bào)過(guò)程中，TSP技術(shù)依據(jù)是地震波的回波，當(dāng)人工進(jìn)行地震波激發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的震源，并通過(guò)球形的方式散播。當(dāng)遇到不良地質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，接收器會(huì)及時(shí)采集反射波。通過(guò)對(duì)回?fù)苄盘?hào)的計(jì)算，針對(duì)其延遲時(shí)間、速度以及強(qiáng)度和波形進(jìn)行分析，判斷地質(zhì)帶的分布和性質(zhì)。同時(shí)，接收點(diǎn)與炮點(diǎn)位于同一平行線上，方便數(shù)據(jù)收集和整理，在精度上也達(dá)到了使用標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)斷層產(chǎn)狀、波速以及位置等方面的判斷還有待加強(qiáng)。

2 TSP技術(shù)在礦山中的應(yīng)用路線

傳統(tǒng)井巷掘進(jìn)以鉆爆的方式為主，但在施工過(guò)程中，鉆孔和爆破往往會(huì)出現(xiàn)冒頂、涌水以及塌方的事故，嚴(yán)重影響施工人員安全。為了預(yù)防發(fā)生嚴(yán)重事故，通常以超前支護(hù)的方式進(jìn)行掘進(jìn)。合理支護(hù)的前提是地質(zhì)預(yù)報(bào)，因此，采礦生產(chǎn)和施工過(guò)程中，都是由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐參數(shù)，沒(méi)有一定的準(zhǔn)確性和針對(duì)性。

2.1 前期準(zhǔn)備

根據(jù)井巷軸線和巖層情況，布置傳感器和炮點(diǎn)，對(duì)炮孔和傳感器參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)，將接收炸藥、套管以及雷管安裝到位。裝好防水炸藥后用水填充，并連接記錄單元與傳感器，其中雷管為瞬發(fā)雷管，裝藥方式為耦合

裝藥。

2.2 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)記錄單元設(shè)置采集參數(shù)，連接信號(hào)觸發(fā)器和起爆系統(tǒng)。記錄單元測(cè)試環(huán)境為噪音檢測(cè)模式，依次激發(fā)震源炮點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將采集到的地震數(shù)據(jù)，利用TSP軟件進(jìn)行處理，找到S波與P波的分布規(guī)律，再利用數(shù)據(jù)包處理其他流程，詳見(jiàn)圖2所示。提取數(shù)據(jù)結(jié)果，并模擬地震反射層的2d/3d巖石力學(xué)參數(shù)和空間分布結(jié)構(gòu)。

圖2 TSP win數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 數(shù)據(jù)破譯

作為地質(zhì)預(yù)測(cè)的核心，數(shù)據(jù)破譯是通過(guò)巖層反射波的傳播速度，將反射波向深度或距離信息轉(zhuǎn)換，并通過(guò)井巷面距離和井巷軸線確定地質(zhì)界面的規(guī)模和空間。結(jié)合S波和P波就能判斷出巖體性質(zhì)，通過(guò)對(duì)密度值的計(jì)算可以算出巖體彈性、泊松比以及巖石密度等信息，根據(jù)圍巖級(jí)別確定工程類(lèi)別。同時(shí)，也能判斷圍巖穩(wěn)定性，根據(jù)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整支護(hù)類(lèi)型或修改設(shè)計(jì)，確定二次襯砌時(shí)間。

3 TSP技術(shù)在礦山中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

根據(jù)2D分布圖以及力學(xué)參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)學(xué)知識(shí)及勘探原理，能判斷圍巖性質(zhì)、圍巖位置以及圍巖規(guī)模。預(yù)報(bào)即將施工范圍內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)突泥、突水等災(zāi)害，并針對(duì)災(zāi)害性質(zhì)對(duì)采礦生產(chǎn)以及施工提出有針對(duì)性的建議和措施。同時(shí)，TSP還能根據(jù)3D視圖直觀的模擬巖層分布情況，及時(shí)預(yù)報(bào)不良巖層的性質(zhì)、位置以及空間大小，為判斷穩(wěn)定性和是否存在充水?dāng)鄬犹峁┫鄳?yīng)對(duì)策。

當(dāng)處理地震波過(guò)程中，勘探原理能對(duì)地質(zhì)性質(zhì)和規(guī)模進(jìn)行詳細(xì)分析，其中包括含水情況、巖石代以及斷層和裂縫發(fā)育帶等。在實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)情況較好時(shí)，TSP預(yù)測(cè)精度高達(dá)200m。在探測(cè)過(guò)程中，要掌握暗河、溶洞等不良地質(zhì)特征，分析TSP效果圖上的表現(xiàn)方式，為破譯奠定良性基礎(chǔ)。同時(shí)，在進(jìn)行礦山地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，可以確保持續(xù)性井巷挖進(jìn)，確定施工工藝的同時(shí)，根據(jù)TSP效果圖上的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對(duì)軟弱巖層進(jìn)行加固，為采礦施工和安全生產(chǎn)提供技術(shù)，也為更改技術(shù)方案提供便利條件。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)能減少施工的盲目性，避免在施工過(guò)程中出現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方法，使得施工過(guò)程更加科學(xué)合理。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的精度也越來(lái)越高，為礦山安全提供了重要保障。TSP技術(shù)一直以其獨(dú)特的優(yōu)越性獲得眾多工程的青睞，作為可靠的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)，在未來(lái)礦產(chǎn)安全生產(chǎn)中，必能成為礦山工程施工的重要組成部分，保障礦山生產(chǎn)施工的安全性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉建喜（1978-），男，江蘇徐州人，山東省濟(jì)寧市金橋煤礦高級(jí)工程師，研究方向：掘進(jìn)巷道技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）