基于TRT地震波反射成像的地下鋁土礦巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

田維剛

(中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司,北京100082)

地下鋁土礦資源開(kāi)發(fā)的安全問(wèn)題是采礦工作者面臨的巨大挑戰(zhàn)之一,地質(zhì)災(zāi)害引起的井下安全事故具有多發(fā)性和難預(yù)測(cè)性。目前地下鋁土礦井巷道掘進(jìn)施工中,極少進(jìn)行專門(mén)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,通常是依據(jù)肉眼觀察和經(jīng)驗(yàn)對(duì)前方圍巖地質(zhì)進(jìn)行粗略判斷。

隧道及地下工程開(kāi)挖前方的探測(cè)或地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用始于早期的地下礦井開(kāi)挖工程,但由于技術(shù)和政策等多方面原因,目前先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)理論和技術(shù)大多首先在隧道工程中得以試驗(yàn)和應(yīng)用[1-4]。隨著礦業(yè)工程的不斷發(fā)展,又因其工程條件的特殊性,巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不可能完全照搬隧道工程的相關(guān)技術(shù),因此礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)理論和實(shí)踐應(yīng)用研究逐漸得到關(guān)注。呂兆海等人[5]以羊場(chǎng)灣煤礦為研究與工程實(shí)踐背景,較深入地構(gòu)建了井巷超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的概念和技術(shù)方案,提出了井巷超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)的思路。梁慶華等[6]對(duì)DTC-150井下超前探測(cè)儀器進(jìn)行了理論和應(yīng)用研究,并依據(jù)儀器獲得的波速對(duì)圍巖進(jìn)行了分類。李術(shù)才教授及其課題組[7]研究了基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的煤巷頂板事故支護(hù)預(yù)案防治方法。

TRT技術(shù)系統(tǒng)是由美國(guó)NSA公司在本世紀(jì)初開(kāi)發(fā),并很快在歐洲和日本等一些隧道的應(yīng)用中首先獲得成功[8-9],后逐漸被公認(rèn)為是世界上最先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)之一。2008年左右TRT技術(shù)以TRT 6000系統(tǒng)[10]的名義開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)后,在三峽翻壩高速公路隧道[11]、新疆吐魯番-庫(kù)爾勒二線鐵路隧道[12]、牛欄江-滇池導(dǎo)水隧洞[13]等工程中進(jìn)行了應(yīng)用,用戶評(píng)價(jià)較高。褚軍凱,王云海等人[14-15]在國(guó)內(nèi)首先對(duì)TRT技術(shù)在金屬礦井巷道中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了研究,將TRT技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)和破碎圍巖的超前探測(cè)實(shí)踐。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于TRT技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,大多是儀器系統(tǒng)的簡(jiǎn)單應(yīng)用,還比較缺乏對(duì)TRT內(nèi)部數(shù)據(jù)資料處理等核心理論的深入闡述。對(duì)于TRT技術(shù)在礦井巷道中的應(yīng)用報(bào)道較少,僅有的文獻(xiàn)資料也沒(méi)有闡明金屬礦井巷道有別于隧道工程的使用心得和技術(shù)改進(jìn)。近年,中南大學(xué)引進(jìn)了TRT 6000系統(tǒng),積極進(jìn)行其在礦井巷道的應(yīng)用研究,在裂隙礦巖巷道的理論研究[16]基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)踐探測(cè)摸索,筆者曾參與在湖南新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司、廣西華錫集團(tuán)銅坑礦、中州鋁業(yè)三門(mén)峽礦等多個(gè)金屬地下礦山進(jìn)行了30余次巷道超前預(yù)報(bào)測(cè)試,積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的難點(diǎn)

巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有其自身的特點(diǎn)和難點(diǎn):

一方面,早在2004年交通部公布的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)中已經(jīng)明確要求,地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道,應(yīng)制定地質(zhì)預(yù)測(cè)方案。但對(duì)于金屬礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào),尚沒(méi)有嚴(yán)格統(tǒng)一的管理制度和技術(shù)規(guī)范,企業(yè)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的積極性不高。

另一方面,相比隧道工程而言,礦井掘進(jìn)巷道通常空間更狹窄,巷道岔口多,彎曲多,掌子面前方地質(zhì)資料匱乏;環(huán)境更復(fù)雜,鑿巖、爆破等采動(dòng)干擾因素多,巷道周?chē)?jīng)常存在隱伏采空區(qū),原生和采動(dòng)裂隙發(fā)育,地下含水層隱蔽性極強(qiáng);且金屬礦井掘進(jìn)巷道大多無(wú)襯砌支護(hù),壁面凸凹不平有浮石,這些不利因素都使得礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)難度更大,尤其不利于地震波反射預(yù)報(bào)法的彈性波傳播和檢測(cè)。

2 TRT預(yù)報(bào)原理

2.1 反射原理

TRT技術(shù)全稱為T(mén)rue Reflection Tomography,即“真正的反射層析成像”。TRT的基本原理是當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)震源點(diǎn)激發(fā),在地質(zhì)體中傳播遇到波阻抗(密度和波速的乘積)差異界面時(shí),一部分信號(hào)會(huì)被反射回來(lái),一部分信號(hào)會(huì)透射進(jìn)入前方介質(zhì),反射回來(lái)的地震波信號(hào)被高靈敏信號(hào)傳感器接收并用于后期軟件分析和計(jì)算。在自然地質(zhì)體中,波阻抗的變化通常發(fā)生在地震波傳播介質(zhì)均一性發(fā)生變化的地段,如斷層、破碎帶、含水體或采空區(qū)等不連續(xù)界面處。根據(jù)地震波反射原理,反射系數(shù)計(jì)算公式為:

(1)

式中:R為反射系數(shù);ρ1、ρ2為反射界面前、后巖層的密度,單位kg/m3;V1、V2為地震波在反射界面前、后巖層中的傳播速度,單位m/s。

反射系數(shù)R是衡量地質(zhì)體波阻抗差異大小的定量指標(biāo),也是軟件系統(tǒng)分析處理地質(zhì)體信息的主要載體和數(shù)據(jù)成果解譯判別的重要依據(jù)。

2.2 礦井條件下的空間觀測(cè)改進(jìn)方案

TRT 6000系統(tǒng)的觀測(cè)方式為三維空間觀測(cè),最大限度的擴(kuò)展橫向展布,以充分獲取波場(chǎng)空間信息,提高預(yù)報(bào)精度。隧道超前預(yù)報(bào)工程中傳感器和激發(fā)震源點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)如圖1,其中儀器系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程要求震源點(diǎn)和傳感器布點(diǎn)橫向展布達(dá)到2.5 m以上,而隧道工程一般尺寸較大,襯砌后壁面規(guī)整,基本都能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)。

圖1 震源點(diǎn)與傳感器標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)示意圖

金屬地下礦井巷道不僅空間狹窄,而且絕大部分為無(wú)襯砌結(jié)構(gòu)的裸巷,幾乎不可能實(shí)現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)。本次參與測(cè)試施工的一地下礦井巷道掘進(jìn)斷面最寬處只有2.2 m,難以滿足測(cè)試要求,在查閱了相關(guān)理論資料后,科學(xué)地設(shè)計(jì)了如圖2的布點(diǎn)變形改進(jìn)方案,應(yīng)用中取得了良好效果。同時(shí),由于礦井巷道多彎曲,壁面不平整,也難以實(shí)現(xiàn)精確的按變形方案布置,只能按圖2確定大致位置,然后選擇壁面平整且?guī)r體較完整的區(qū)域布設(shè)震源點(diǎn)和傳感器,最后使用全站儀精確測(cè)定震源點(diǎn)和傳感器位置的三維坐標(biāo)。

圖2 震源點(diǎn)與傳感器布設(shè)改進(jìn)方案圖

2.3 信號(hào)資料處理

處理資料時(shí),往往由位于橢圓平面中兩個(gè)相互正交地震檢波器的記錄來(lái)計(jì)算偏振橢圓,以及根據(jù)它們的最大振幅(Cx和Cy)和相位差(Δβ)來(lái)計(jì)算。x軸和偏振橢圓主軸之間的夾角δ由表達(dá)式(加爾彼林,1989年):

(2)

而橢圓率系數(shù)m:

(3)

這樣求得的偏振橢圓可用來(lái)計(jì)算在偏振平面中任何兩個(gè)相互垂直方向(x,y)之間的相位移,它們的方向與偏振橢圓主軸ξ并不一致(如圖3)。相位移β按公式:

圖3 偏振橢圓計(jì)算原理

(4)

式中:ax、ay為所選方向上偏振橢圓的矢徑。

在偏振平面中橢圓的形狀和它的去向能從計(jì)算的運(yùn)動(dòng)矢量值繪制的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定。為了確定矢徑的模和它的方向,可以采用與現(xiàn)行偏振震動(dòng)相同的方向,依在矢徑方向量取的模,在偏振平面中繪制橢圓軌跡[17]。

TRT 6000系統(tǒng)采用概率偏移地震波反射層析成像法,以發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)為焦點(diǎn),利用位移偏振原理作橢球面,根據(jù)無(wú)數(shù)橢球面疊合的概率成像獲得掌子面前方的全息圖。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

河南省某鋁土礦山保有資源儲(chǔ)量大、礦體較連續(xù),具備建成規(guī)模性鋁土礦供應(yīng)基地的潛力。該礦區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育情況多變復(fù)雜,礦巖穩(wěn)定性較好,圍巖質(zhì)量較差,礦體走向跨度非常大,礦體厚度不均勻,工程地質(zhì)條件較差。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,地下開(kāi)采主要影響因素為礦床內(nèi)寒武-奧陶系灰?guī)r含水層、砂卵石含水層、老窿積水。寒武-奧陶系灰?guī)r含水層具有厚度大、巖溶裂隙發(fā)育和富水性較強(qiáng),含水層具有較豐富的地下水靜水儲(chǔ)量及動(dòng)水補(bǔ)給量。鋁土礦基建施工期間和礦床開(kāi)采初期,豎井井筒、井底車(chē)場(chǎng)、階段石門(mén)、井下水倉(cāng)、水泵房及階段運(yùn)輸平巷等均在該含水層中掘進(jìn),可能引發(fā)突然涌水淹井。礦區(qū)歷史上民采規(guī)模較大,民采礦井密集,民采老窿眾多且積水嚴(yán)重。綜合來(lái)看,該礦區(qū)水文地質(zhì)條件和開(kāi)采條件都十分復(fù)雜,對(duì)鋁土礦層的安全開(kāi)采構(gòu)成了較大的威脅。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次巷道超前預(yù)報(bào)探測(cè)試驗(yàn)地點(diǎn)為河南省某鋁土礦330中段正在掘進(jìn)施工的脈外運(yùn)輸平巷。

采集系統(tǒng)共布設(shè)12個(gè)震源點(diǎn),每個(gè)震源點(diǎn)錘擊3次,對(duì)36次錘擊激發(fā)的地震波信號(hào)進(jìn)行采集,并使用全站儀進(jìn)行震源點(diǎn)和傳感器位置三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

將TRT地震波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的波場(chǎng)信號(hào)和全站儀采集到的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)錄入配套的數(shù)據(jù)處理軟件,按照指定的操作流程,進(jìn)行分析計(jì)算,系統(tǒng)最后輸出預(yù)報(bào)區(qū)域的三維層析圖像(如圖4)。根據(jù)三維圖像數(shù)據(jù),對(duì)反射系數(shù)R值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出地震波反射能量分布規(guī)律(如圖5)。

圖4 TRT探測(cè)三維層析圖像

圖5 地震波反射能量分布規(guī)律

3.3 數(shù)據(jù)解譯和地質(zhì)預(yù)報(bào)

結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)總體情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)分析,根據(jù)TRT系統(tǒng)三維層析圖像和反射波能量分布圖進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯預(yù)報(bào)見(jiàn)表1。

表1 TRT探測(cè)數(shù)據(jù)解譯預(yù)報(bào)表

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

因超前預(yù)報(bào)巷道前方可能存在大范圍含水構(gòu)造,施工方制訂了合理的緊急預(yù)案,提前開(kāi)挖了水溝和儲(chǔ)水池,并配備了抽水泵。巷道開(kāi)挖發(fā)現(xiàn),巖體穩(wěn)固性較好,質(zhì)地堅(jiān)硬,局部破碎,但沿線存在多處導(dǎo)水裂隙構(gòu)造,突水量較大,距掌子面約70～80 m處,巖體存在一處較大尺寸的貫通導(dǎo)水構(gòu)造,突涌水量最大,達(dá)到300 L/min。后經(jīng)勘察揭露發(fā)現(xiàn),巷道頂板上方約50 m處存在一含水層,聯(lián)通地表水系,并經(jīng)由巷道頂板裂隙構(gòu)造下泄到巷道,水頭壓力較大。TRT系統(tǒng)雖無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)涌水量大小,但有效預(yù)報(bào)了含水構(gòu)造的存在,預(yù)報(bào)結(jié)果較為準(zhǔn)確,直接幫助施工方提前布置預(yù)案,在出現(xiàn)較大涌水的情況下,整個(gè)巷道施工有序進(jìn)行,未發(fā)生安全事故和工程延期。

3.5 問(wèn)題與建議

1)礦井巷道施工環(huán)境惡劣,巷道超前預(yù)報(bào)工作人員應(yīng)提前踏勘,通知施工方清理浮石,及時(shí)出渣并保證通風(fēng)照明良好,確保預(yù)報(bào)測(cè)試安全。

2)礦井巷道周邊通常存在隱伏采空區(qū)、作業(yè)采場(chǎng)、民采廢棄坑道等,數(shù)據(jù)解譯和地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)充分考慮礦井整體工程布置和采動(dòng)影響,盡量避免誤報(bào)。

3)TRT預(yù)報(bào)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)斷裂構(gòu)造方面具有優(yōu)勢(shì),但在地震波激發(fā)區(qū)域附近約20 m范圍內(nèi)存在預(yù)報(bào)盲區(qū),且對(duì)含水體的性質(zhì)和規(guī)模預(yù)報(bào)不夠靈敏,建議在工程應(yīng)用中結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)等短距離電磁法預(yù)報(bào)設(shè)備使用,可實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充印證,提高預(yù)報(bào)效率。

4 結(jié) 論

1)超前地質(zhì)探測(cè)TRT 6000系統(tǒng)在鋁土礦井下巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用是一項(xiàng)有益的探索,TRT探測(cè)操作簡(jiǎn)單易行,采用層析成像技術(shù)得到的三維立體地質(zhì)探測(cè)圖直觀易懂,預(yù)報(bào)結(jié)果可以指導(dǎo)工程技術(shù)人員分析掌握掘進(jìn)面前方地質(zhì)巖層情況和制定針對(duì)性的施工預(yù)案,從而提高施工效率和安全性。

2)針對(duì)地下鋁土礦巷道空間狹窄和觀測(cè)受限問(wèn)題,對(duì)TRT系統(tǒng)空間觀測(cè)方案進(jìn)行了橫向傾斜布置改進(jìn),實(shí)際探測(cè)時(shí)還要根據(jù)巷道壁面施工條件布設(shè)測(cè)點(diǎn),以更好地適應(yīng)地下礦井的復(fù)雜環(huán)境下超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作需要。

3)TRT超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在河南省某鋁土礦330中段運(yùn)輸平巷工程中較準(zhǔn)確地探測(cè)到前方裂隙破碎帶和導(dǎo)水構(gòu)造,實(shí)際開(kāi)挖情況與預(yù)報(bào)結(jié)果吻合較好。