TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在礦山中的應(yīng)用探討

孫天學(xué)，陳遵義，郝進(jìn)喜，郭振華

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司，河北邯鄲056002）

我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也加快了對礦山資源的開采步伐.但是由于許多老礦山經(jīng)過多年開采，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，如突水、冒頂?shù)?為了防止安全事故的發(fā)生，TRT（True Reflection Tomography）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)被引用到了礦山［1-2］.

目前，TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要應(yīng)用于公路隧道的施工中，在預(yù)報(bào)溶洞、斷層破碎帶、復(fù)雜地層條件等方面也有許多成功的實(shí)例，得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可［3］.在礦山應(yīng)用方面，如何利用好TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，使其在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體、不明采空區(qū)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系統(tǒng)的工作原理基于地震波（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(hào)被反射回來，另一部分信號(hào)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(hào)被高靈敏地震信號(hào)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：

R 為反射系數(shù)；ρ1、ρ2為巖層的密度；V1、V2為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.

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，可以清楚直觀地反映地質(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

專用便攜式計(jì)算機(jī)、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.

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.具體探測方法如下.

（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1）要求最高與最低位置傳感器的差值必須大于2.5 m.

（2）無線傳輸模塊的安裝

圖1 TRT6000震源及傳感器布置圖Fig.1 Schematic diagram of the seismic source and sensor layout of TRT6000

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10 cm內(nèi).

（3）建立基站，連接計(jì)算機(jī)，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)［4］.為了分析TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的精確度，筆者將鉆探成果與TRT探測成果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證探測成果的可靠性.

3.1 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不明采空區(qū)

礦區(qū)施工的某沿脈巷，巷道圍巖巖性為閃長巖，巖石裂隙不發(fā)育，頂板巖體的穩(wěn)定性較好.

（1）TRT探測成果

利用TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行探測.探測結(jié)果（圖2）：前方存在兩處低阻區(qū)，巖體較為破碎，裂隙水可能較為發(fā)育.0～35 m處，左側(cè)巖體張性裂隙較發(fā)育，巖體較為破碎；50～57 m處左側(cè)標(biāo)高-6～-20 m存在明顯低阻區(qū)，相對掌子面高-35～-15 m.推測第一處異常為閃長巖裂隙含水帶.第二處異常為采空區(qū)或采礦工程（斜井）.

圖2 TRT探測結(jié)果示意圖（側(cè)視）Fig.2 Schematic diagram of the detection results of TRT（side view）

（2）TRT與鉆探成果驗(yàn)證對比分析

巷道繼續(xù)掘進(jìn)20 m后在掌子面施工驗(yàn)證孔3個(gè)（圖3），依次編號(hào)為TSA1、TSA2和TSA3，總工程量為197.89 m.鉆孔及巷道揭露巖性主要為閃長巖，巖體較完整，3個(gè)鉆孔均未出水.

圖3 綜合成果對比分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of comparative analysis

施工的3個(gè)鉆孔，共揭露巖層破碎段5個(gè)，鉆孔TSA1（孔深58.00～70.00 m）和TSA2（孔深 50.22～60.75 m）控制的破碎帶具有明顯的走向.TSA2揭露的夕卡巖（孔深65.20～72.34 m）強(qiáng)度極低，推測走向與閃長巖破碎帶走向基本一致.施工的3個(gè)鉆孔均未揭露不明民采空區(qū)和采礦工程（斜井）.

綜上所述，TRT探測成果與鉆探成果存在較大差異.

3.2 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體

礦區(qū)施工的某沿脈巷，巷道圍巖巖性為閃長巖，巖石裂隙發(fā)育，頂板股狀淋水.

（1）TRT探測成果

利用TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行探測.探測結(jié)果（圖4）：從傳感器到震源點(diǎn)處左下角巖體較為破碎，震源點(diǎn)前方0～57 m巖體較為破碎.其中39～55 m處及標(biāo)高-98～-115 m處低阻抗較為明顯.推測-100 m水平圍巖整體非常破碎，裂隙含水量大；前方39～55 m處低阻異常，可能為含水軟弱體.

圖4 TRT探測結(jié)果示意圖（側(cè)視）Fig.4 Schematic diagram of the detection results of TRT（side view）

（2）TRT與鉆探成果驗(yàn)證對比分析

本位置共施工驗(yàn)證孔3個(gè)（圖5），依次編號(hào)為TS03、TS04和TS05，總工程量為243.0 m.鉆孔揭露巖性均為閃長巖，巖層較破碎，出水量最大的鉆孔為TS05，終孔實(shí)測涌水量Q=14.84 m3/h，水壓P=0.1 MPa.其他鉆孔涌水量和水壓均較小.

圖5 綜合成果對比分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of comparative analysis

本位置施工的3個(gè)鉆孔，共揭露巖層破碎段7個(gè).根據(jù)鉆孔揭露巖層的完整性，把閃長巖分為3段：第一段為巖層相對較完整段，該段出水較小；第二段為巖層破碎段，巖層穩(wěn)定性差，含有一定量的裂隙水；第三段為巖層蝕變段，巖層穩(wěn)定性極差.

通過對比分析可以看出，對于第二段巖層和第三段巖層TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)推測成果沒有反映.

4 TRT預(yù)報(bào)失敗原因分析及建議

4.1 TRT預(yù)報(bào)失敗原因分析

（1）TRT預(yù)報(bào)不明空區(qū)失敗原因

從綜合成果對比分析圖（圖3）上可以看出，現(xiàn)場測試的巷道腰線呈弧線，即：巷道腰線（從掌子面后退算起）的直線距離小于27 m，也就是說震源和檢波器不全在同一條直線上.根據(jù)地震反射波基本理論可知，只有在波阻抗不相等的條件下，地震波才會(huì)發(fā)生反射，其差別越大，反射波能量越強(qiáng).只有當(dāng)檢波器與反射界面成垂直夾角時(shí)，反射波更易被接收且接收的反射波振幅能量最大，在實(shí)際操作中也只有當(dāng)檢波器與震源呈直線布置時(shí)效果最佳，也就要求巷道腰線（從掌子面后退算起）要有一定的直線距離.由于震源和檢波器呈弧線布置，錘擊產(chǎn)生的地震反射波并不是直接被檢波器接收，而反射波要再經(jīng)巷道圍巖界面的多次反射才能被接收，這就增加了地震波在地層中能量的損耗，從而削弱了反射波振幅能量，影響了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的偏差較大.

（2）TRT預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體失敗原因

根據(jù)鉆孔揭露巖層的完整性，把閃長巖分為3段：第一段為巖層相對較完整段；第二段為巖層破碎段；第三段為巖層蝕變段.根據(jù)地震反射波基本理論可知，反射波的振幅與反射界面的反射系數(shù)有關(guān)，當(dāng)入射波振幅一定時(shí)，反射波振幅與反射系數(shù)成正比，而反射系數(shù)與反射界面兩側(cè)的密度和速度的乘積（波阻抗）與入射角度有關(guān).由于這3段巖層的波阻抗（即密度和速度的乘積）是呈遞減的，代入TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)工作原理公式可知，反射系數(shù)R為負(fù)值，因而反射波在3段巖層中振幅能呈依次遞減，地震反射波信號(hào)越來越弱，而檢波器接收的信號(hào)更多為其他干擾信號(hào)（如面波、聲波等），影響了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而導(dǎo)致在探測區(qū)域范圍內(nèi)，探測成果與鉆探實(shí)際揭露存在較大偏差.

4.2 消除部分預(yù)報(bào)失敗原因后的探測成果

礦區(qū)某穿脈，利用TRT6000型地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在掌子面進(jìn)行現(xiàn)場探測，巷道腰線（從掌子面后退算起）的直線距離為30 m，最小偏移距為10 m，炮間距（即震源的排距）為2 m，震源為5 kg的大錘，探測成果如下.

預(yù)報(bào)距離為80 m.探測發(fā)現(xiàn)2個(gè)異常區(qū).第一個(gè)異常在圖中的分布為：中心線右側(cè)5 m至右邊20 m，掌子面前方60～70 m，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)5 m至右邊15 m，掌子面前方85 m，有明顯低阻抗含水異常，可能存在采空或巷道（圖 6）.

圖6 TRT探測結(jié)果示意圖（正視）Fig.6 Schematic diagram of the detection results of TRT（front view）

利用鉆探對TRT探測成果進(jìn)行驗(yàn)證.該位置施工4個(gè)鉆孔（圖7），其中有3個(gè)鉆孔揭露空區(qū).揭露的巖性主要為閃長巖，次為夕卡巖.鉆孔TSA9（孔深47.65～52.25 m）、TSA10（孔深 43.0～47.4 m）及 TSA8（孔深51.00～55.80 m）揭露的空區(qū)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，次為夕卡巖.對于TRT探測的第一處異常可能為該空區(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7 綜合成果對比分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of comparative analysis

通過對比分析可以看出，TRT探測成果與鉆探成果基本吻合.

4.3 建議

（1）對于場地的探測條件，盡量滿足巷道腰線（從掌子面后退算起）至少要有27 m（即炮檢距2 m+最小偏移距10 m+檢波器排距5 m×3排）的直線距離，以保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量.

（2）TRT預(yù)報(bào)的距離一般情況下為80 m，但對于巷道前方巖體較破碎且硬度較低的情況，影響地震波的傳播速度，信號(hào)且有明顯的衰減，TRT預(yù)報(bào)的距離要酌情減少.為了保證工程的施工安全，建議設(shè)計(jì)適量鉆孔，對探測異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證.

（3）在利用TRT進(jìn)行探測時(shí)，要綜合考慮各探測參數(shù)（震源、最小偏移距、炮間距）.根據(jù)在礦山進(jìn)行的應(yīng)用試驗(yàn)研究結(jié)果，建議激發(fā)震源的錘子重量5～6 kg為宜，震源點(diǎn)布設(shè)在堅(jiān)實(shí)、完整的巖壁上.最小偏移距在10.0～20.0 m之間為宜.炮間距（即震源的排距）在 2 m 左右為宜［5］.

5 結(jié)語

TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是眾多預(yù)報(bào)方法中的的一種，其具有操作簡便，成本低，采集信息全面、直觀等特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注.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30多次TRT探測，設(shè)計(jì)驗(yàn)證孔40多個(gè)，有效地保證了2000 m以下深部開拓工程安全順利完成.因而，TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在礦山的應(yīng)用具有良好的前景.

［1］楊果林，楊立偉.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法與探測技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào), 2006（4）: 627—630.

［2］陳剛毅.TRT 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)及其在三峽翻壩高速公路中的應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程, 2009（3）: 304—307.

［3］宋先海，顧漢明，等.我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)述評［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展, 2006（2）: 605—613.

［4］李樹德，柯福奎，洪長久.氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)在復(fù)雜地層應(yīng)用中的探討［J］.煤炭技術(shù), 2007（11）: 137—138.

［5］王云海，馬海濤，等.西石門鐵礦深部開拓工程民采空區(qū)突水危害地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)研究［R］.北京：中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院, 2011（11）: 33—119.