基于TRT技術(shù)的礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

趙向陽(yáng)

（山西省宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045008）

礦山施工前對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行全面了解是一個(gè)非常重要的過(guò)程。只有通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件的全面勘查和超前預(yù)報(bào)，我們才能夠及時(shí)更好地發(fā)現(xiàn)相關(guān)異常的地質(zhì)條件，從而更好地掌握工作過(guò)程中不良的地質(zhì)條件和位置、含水量以及其他隱患條件，這樣才能夠?yàn)檎_地選擇開(kāi)挖的位置、支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)和施工的方案等全方位地提供依據(jù)，在最大限度上避免火災(zāi)、坍塌和涌水等事故的發(fā)生，從根本上保證整體施工的安全。本文主要基于TRT技術(shù)對(duì)礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)做全面的分析和介紹，以期提供更好的參考。

目前使用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的方法主要包括機(jī)械鉆探、直流電法、電磁法、地震法、聲波法和紅外線法等。但是每一種方法在使用的過(guò)程中都有其局限性?；诖?，TRT技術(shù)在礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中正被越來(lái)越多地提倡。本文主要就TRT技術(shù)在礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的運(yùn)用做一全面的分析和介紹。

1 地質(zhì)預(yù)報(bào)的概念

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原來(lái)是通過(guò)鉆探和物探等手段，探測(cè)包括隧道、隧洞和地下廠房等主要的地質(zhì)條件。后來(lái)將上述技術(shù)引入礦井，通過(guò)地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)更好地掌握地下水和瓦斯及斷層構(gòu)造等情況。進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)最大的意義就是有效避免整體施工和運(yùn)行的過(guò)程中突然發(fā)現(xiàn)涌水、瓦斯突出、巖爆和其他地質(zhì)災(zāi)害情況。

2 TRT技術(shù)的預(yù)報(bào)原理

TRT技術(shù)是煤氣余壓透平發(fā)電裝置的簡(jiǎn)稱(chēng)，這種技術(shù)的基礎(chǔ)是一種以煤氣冶煉為基礎(chǔ)的副產(chǎn)品。TRT本身是一種地震波超前預(yù)報(bào)法，當(dāng)激發(fā)的地震波遇到聲學(xué)阻抗差異界面的時(shí)候，一部分信號(hào)會(huì)被反射回來(lái)，另外一部分信號(hào)會(huì)透入前方的介質(zhì)中。已經(jīng)被反射的地震信號(hào)將會(huì)被高靈敏的地震信號(hào)傳感器接收過(guò)去，然后通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析和處理，更好地了解巷道工作面的地質(zhì)條件，（如破碎帶、斷層和含水帶等）、地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)以及其位置和規(guī)模。而有聲學(xué)阻抗差異（巖石密度和波速的乘積）的界面，正常入射的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：ρ1和ρ2為兩種不同巖層的密度，V1和V2為地震波在不同巖層中的傳播速度，m/s。

在整個(gè)TRT技術(shù)的使用過(guò)程中，主要采用的是掃描成像技術(shù)，這些掃描成像技術(shù)最終都會(huì)形成立體和直觀的三維圖像。所有立體圖像中的反射邊界上的每一個(gè)離散的圖像都是由空間疊加而來(lái)的，然后再讓地震波更好地得以實(shí)現(xiàn)。圖1為地震反射獲得地層三維地質(zhì)構(gòu)造的原理圖像。

圖1 地震波反射獲得地層三維地質(zhì)構(gòu)造原理

3 TRT地質(zhì)超前探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操作

TRT地質(zhì)超前探測(cè)的結(jié)構(gòu)主要由傳感器、無(wú)線傳輸模塊、觸發(fā)裝置和中心控制系統(tǒng)等相關(guān)的部分組成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)硬件組成

其操作程序是：先將多個(gè)傳感器固定在巷道拱頂和邊墻上，整個(gè)傳感器呈現(xiàn)三維空間的分布，作用是用來(lái)接收震源人工發(fā)射的彈性波信號(hào)。所有無(wú)線傳輸?shù)哪K與傳感器相連接，主要作用是將存儲(chǔ)和采集道的數(shù)據(jù)和地震波數(shù)據(jù)傳輸給主計(jì)算機(jī)。TRT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上面存在一個(gè)觸發(fā)器，通過(guò)與主要的數(shù)據(jù)電纜相連，從而使得所有信號(hào)都能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程的收發(fā)。

4 TRT技術(shù)運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

在礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中選擇TRT技術(shù)，其理由是TRT技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)：

第一，TRT技術(shù)的軟件自動(dòng)化程度很高，而且軟件使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。

第二，TRT的預(yù)報(bào)系統(tǒng)本身是采用高精度的加速器作為傳感器的，比傳統(tǒng)的傳感器的靈敏度更高，而且在實(shí)際操作的過(guò)程中能最大程度地使高頻信號(hào)得以保留，從而進(jìn)一步提高探測(cè)的精度，并增加探測(cè)的距離。

第三，TRT技術(shù)對(duì)于地震波吸收區(qū)域的反映更加敏感，如果地震波里面出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，就會(huì)在TRT的預(yù)測(cè)中出現(xiàn)明顯的異常；TRT能夠更加精確地判斷掌握前方的地質(zhì)情況，并在第一時(shí)間對(duì)相關(guān)地質(zhì)破碎帶、節(jié)理發(fā)育情況和涌水等不良地質(zhì)情況精確獲知，并對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象擁有更高的分辨率。

5 實(shí)際應(yīng)用的例子

5.1 對(duì)某一礦區(qū)的測(cè)試

將TRT技術(shù)更好地運(yùn)用于某一礦區(qū)當(dāng)中去進(jìn)行測(cè)量，主要測(cè)量步驟如下：

因?yàn)檫x擇檢測(cè)的礦區(qū)已經(jīng)被很好地穩(wěn)定于水位之下了，而且根據(jù)相關(guān)資料顯示，整個(gè)掌子面上可能存在采空的區(qū)域。而在運(yùn)用TRT技術(shù)進(jìn)行采集之后就可以明顯的發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)用的震源主要為5 kg的大錘，震源和檢測(cè)波之間的距離大約為10 m，炮檢的距離大約為2 m，整體檢測(cè)的過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 某礦區(qū)TRT技術(shù)檢驗(yàn)成果

從圖3檢測(cè)結(jié)果可以看出，在運(yùn)用TRT技術(shù)對(duì)礦山底部進(jìn)行實(shí)際探測(cè)之后，經(jīng)對(duì)比，其探測(cè)成果和鉆探結(jié)果基本是吻合的。這也進(jìn)一步證實(shí)了運(yùn)用TRT技術(shù)所使用的數(shù)據(jù)是相對(duì)比較準(zhǔn)確的。

5.2 斷層破碎帶

如果利用TRT探測(cè)技術(shù)對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行探測(cè)，其圖像正負(fù)反射層較多而且非常雜亂。由于斷層和破碎帶的兩側(cè)掩體存在非常明顯的速度差異，所以一般要布置兩個(gè)鉆探孔，而且一般要使得鉆探孔的方位都始終垂直于斷層破碎帶的走向。第一個(gè)鉆孔要穿過(guò)有異常情況的中心位置，第二個(gè)鉆孔要能夠控制斷層破碎帶的走向，兩個(gè)鉆孔的距離一般不少于20 m。

5.3 采空區(qū)

無(wú)論是有填充型的采空區(qū)還是無(wú)填充型的采空區(qū)，TRT技術(shù)都可以反映出共同的特征。主要以負(fù)反射為主，反射帶內(nèi)部的正負(fù)反射相間而且有著一定的連續(xù)性。在布置鉆孔的過(guò)程中，一般布置2～3個(gè)鉆孔，保持垂直于采空區(qū)的位置。保證第一個(gè)鉆孔要穿過(guò)異常區(qū)域的中心位置，第二個(gè)和第三個(gè)鉆孔要更好地控制整個(gè)采空區(qū)的形態(tài)。在設(shè)計(jì)鉆孔的過(guò)程中，其孔底的距離一般不能夠少于20 m。

6 TRT技術(shù)的劣勢(shì)

雖然TRT技術(shù)在使用的過(guò)程中有諸多優(yōu)勢(shì)，但是主要還是存在兩點(diǎn)劣勢(shì)。其一，TRT技術(shù)在使用中容易受到外界環(huán)境的干擾，如果在運(yùn)用的過(guò)程中沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的分析，非常容易造成數(shù)據(jù)的失真。其二，TRT技術(shù)在使用的過(guò)程中對(duì)震源點(diǎn)和傳感器點(diǎn)的位置選擇有所限制，要求最高和最低位置的傳感器的差值必須大于2.5 m，不然就沒(méi)有辦法有效地接收三維地震波數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

TRT地質(zhì)探測(cè)技術(shù)已成為了礦山井下開(kāi)采中的一種新技術(shù)手段，其快捷性和精確性?xún)?yōu)于其他物探方法，但尚需通過(guò)不斷的探索和改進(jìn)，找出適合礦井最優(yōu)的參數(shù)，使TRT技術(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)能夠完成更精準(zhǔn)地探測(cè)。目前單一使用TRT技術(shù)的探測(cè)效果尚存在一些問(wèn)題，仍需結(jié)合相關(guān)的鉆探技術(shù)，才能夠有更好的效果。

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