TSP技術在礦山井巷掘進及采礦生產中的應用

劉建喜　班林杰　張海濤

摘要：TSP技術在隧道預報中具有無法比擬的地位，如今已經被廣泛應用于采礦生產和礦山井巷掘進中。由于TSP技術能及時預報不良地質帶，準確提供預報，避免了安全事故發生也降低了工程成本。文章以TSP技術的工作原理為主，淺析了采礦生產和礦山井巷掘進過程中的具體應用。

關鍵詞：TSP技術；礦山井巷掘進；采礦生產；安全事故；超前預報 文獻標識碼：A

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

眾所周知，采礦生產與礦山井巷掘進經常會受到環境影響和地質影響，出現安全事故隱患。因此，開發地質預報技術勢在必行。多年來，國內外對相關技術進行了諸多研究，電磁法、機械鉆探法以及遠紅外線等方法都已經退出歷史舞臺，地震法逐漸向超前預報過渡。超前預報的主流方式包括以下幾種：TST、HSP、TGP、TSP等。在西方國家，TSP已經有了多年的應用歷史，并不斷改進升級。只有不斷加強超前預報的準確性，才能讓TSP技術在采礦生產與礦山井巷掘進中發揮最大效能。

1 TSP超前預報工作原理

由于礦山地質環境復雜，在開采施工過程中經常會遇到破碎帶、不良地質等方面影響。隨著開采力度的不斷加大，安全事故也屢屢發生。受到地質環境影響，也增加了開采難度。在施工過程中經常會出現涌水、冒頂等現象，這就需要在掘進過程中增加超前支護措施。其中，安全系數和掘進速度取決于巖石的巖質和地質構造，準確查出實際地質情況并采取有效施工方式尤為重要。但由于不同地質中存在不同巖體特征，這就需要在掘進生產過程中增加地質超前預報。目前超前探測的方法多種多樣，但傳統方式不能滿足現代化生產需求，且費用高速度慢，因此開發超前預報系統勢在必行。

圖1 TSP超前預報工作原理圖

瑞士安博格公司研發的TSP超前預報系統，具有預報距離長、適用范圍廣以及數據處理簡單且無施工干擾等特點，在復雜地質預報中，有較強的應用效果。其利用地震波反射原理，需要人工制造地震震源，并通過接收器和傳感器接收并分析處理數據。具體工作原理如圖1所示。

通常情況下，采用小劑量炸藥進行爆破，通過震波沿著巷道剖面傳播方式進行球面傳播。當波動遇到巖體阻礙時就會發生折射或反射，反射引號的信息被地震檢波器接收記錄。同時，由于折射波會一直傳播，遇到不同介質過程中會產生不同的折射反應。通過分析反射波或折射波時間曲線，可以計算出斷層或巖層的距離和位置。利用TSP配套軟件進行數據評估，可以得出需要的數據參數，如泊松比、巖石密度等。TSP還可以發現井下的斷層以及含水帶和災害帶等地質環境，精確度一定達到了200m。利用TSP預報技術進行采礦生產或礦山開采，能減少意外險情，減少事故隱患，增加可預見性。在預報過程中，TSP技術依據是地震波的回波，當人工進行地震波激發時，會產生一定程度的震源，并通過球形的方式散播。當遇到不良地質時會產生反射波，接收器會及時采集反射波。通過對回撥信號的計算，針對其延遲時間、速度以及強度和波形進行分析，判斷地質帶的分布和性質。同時，接收點與炮點位于同一平行線上，方便數據收集和整理，在精度上也達到了使用標準，但對斷層產狀、波速以及位置等方面的判斷還有待加強。

2 TSP技術在礦山中的應用路線

傳統井巷掘進以鉆爆的方式為主，但在施工過程中，鉆孔和爆破往往會出現冒頂、涌水以及塌方的事故，嚴重影響施工人員安全。為了預防發生嚴重事故，通常以超前支護的方式進行掘進。合理支護的前提是地質預報，因此，采礦生產和施工過程中，都是由經驗數據作為支撐參數，沒有一定的準確性和針對性。

2.1 前期準備

根據井巷軸線和巖層情況，布置傳感器和炮點，對炮孔和傳感器參數進行復測，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，其中雷管為瞬發雷管，裝藥方式為耦合

裝藥。

2.2 數據采集

經記錄單元設置采集參數，連接信號觸發器和起爆系統。記錄單元測試環境為噪音檢測模式，依次激發震源炮點進行信號采集。

2.3 數據處理

將采集到的地震數據，利用TSP軟件進行處理，找到S波與P波的分布規律，再利用數據包處理其他流程，詳見圖2所示。提取數據結果，并模擬地震反射層的2d/3d巖石力學參數和空間分布結構。

圖2 TSP win數據處理流程圖

2.4 數據破譯

作為地質預測的核心，數據破譯是通過巖層反射波的傳播速度，將反射波向深度或距離信息轉換，并通過井巷面距離和井巷軸線確定地質界面的規模和空間。結合S波和P波就能判斷出巖體性質，通過對密度值的計算可以算出巖體彈性、泊松比以及巖石密度等信息，根據圍巖級別確定工程類別。同時，也能判斷圍巖穩定性，根據數據隨時調整支護類型或修改設計，確定二次襯砌時間。

3 TSP技術在礦山中的應用優勢

根據2D分布圖以及力學參數，結合地質學知識及勘探原理，能判斷圍巖性質、圍巖位置以及圍巖規模。預報即將施工范圍內是否會出現突泥、突水等災害，并針對災害性質對采礦生產以及施工提出有針對性的建議和措施。同時，TSP還能根據3D視圖直觀的模擬巖層分布情況，及時預報不良巖層的性質、位置以及空間大小，為判斷穩定性和是否存在充水斷層提供相應對策。

當處理地震波過程中，勘探原理能對地質性質和規模進行詳細分析，其中包括含水情況、巖石代以及斷層和裂縫發育帶等。在實際應用經驗中發現，地質情況較好時，TSP預測精度高達200m。在探測過程中，要掌握暗河、溶洞等不良地質特征，分析TSP效果圖上的表現方式，為破譯奠定良性基礎。同時，在進行礦山地質預報過程中，可以確保持續性井巷挖進，確定施工工藝的同時，根據TSP效果圖上的數據，及時調整支護參數，對軟弱巖層進行加固，為采礦施工和安全生產提供技術，也為更改技術方案提供便利條件。

4 結語

綜上所述，通過預測和預報能減少施工的盲目性，避免在施工過程中出現不良地質災害，根據現場結果及時調整施工方法，使得施工過程更加科學合理。隨著科學技術的不斷創新，地質超前預報的精度也越來越高，為礦山安全提供了重要保障。TSP技術一直以其獨特的優越性獲得眾多工程的青睞，作為可靠的地質預測技術，在未來礦產安全生產中，必能成為礦山工程施工的重要組成部分，保障礦山生產施工的安全性。

參考文獻

[1] 羅衛華，肖書安，李德久，等.TSP系統在隧道工程施工地質預報中的應用和發展[J].中南公路工程，2006，31（1）.

[2] 劉志剛，劉秀峰.TSP（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前預報中的應用與發展[J].巖石力學與工程學報，2003，22（8）.

[3] 張平松，吳健生.中國隧道及井巷地震波法超前探測技術研究分析[J].地球科學進展，2006，21（10）.

[4] 李國，崔秀琴，李珠，等.掘進巷道初次與長期防水理論與技術研究[J].金屬礦山，2009，（3）.

作者簡介：劉建喜（1978-），男，江蘇徐州人，山東省濟寧市金橋煤礦高級工程師，研究方向：掘進巷道技術。

（責任編輯：秦遜玉）