TRT技術在某鐵礦巷道超前探水中的應用

侯垣麒，楊 龍，劉天奇

(1.蕪湖和成礦業發展有限公司， 安徽 蕪湖市 241012；2.五礦邯邢礦業邯鄲地質勘查有限公司， 河北 邯鄲市 056000)

0 引 言

TRT(true reflection tomography)超前地質探測是目前礦山巷道施工中比較先進的預報技術，在水利、道路、城市地下等工程中也具有廣泛的應用。在井下巷道掘進過程中，掌子面前方遇到諸如斷層、破碎帶、溶洞等其它導水構造的可能性較大，尤其是大水礦山，水文地質條件尤為復雜，給施工帶來巨大的安全隱患[1]。在巷道掘進施工前，采用TRT超前探測技術，可以及時預測前方異常地質情況，從而為井巷防治水方案及超前探水優化設計提供科學依據，也可提前對可能存在的突發事故做好預防工作，對保證施工安全具有重要意義[2]。

1 TRT超前地質預報

1.1 探測原理

TRT是地震波反射層析成像技術的簡稱，其主要由信號觸發模塊、信號接收模塊及信號分析模塊三大模塊組成。該技術的基本原理在于當地震波遇到聲學阻抗差異(即巖石波阻抗，為密度和波速的乘積)界面時發生反射和透射作用，一部分信號反射回來；一部分信號通過透射進入前方介質。巖石波阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面。反射回來的信號被高靈敏傳感器接收，通過分析，被用來了解工作面前方地質體的性質(如巖溶、軟弱帶、破碎帶、斷層、含水體等)、位置及規模。

反射系數R的計算公式[3]為：

(1)

式中，ρ1、ρ2分別為地震波入射及反射的巖層密度；V1、V2分別為地震波在信號入射及反射的巖層中的傳播速度；ρ1V1、ρ2V2分別為信號入射及反射的巖石波阻抗。

地震波從低阻抗巖層傳播到高阻抗巖層時，反射系數為正；地震波從高阻抗巖層傳播到低阻抗巖層時，反射系數為負。當地震波由軟巖傳播到硬巖時，入射波和反射波的偏轉極性是一致的。當地震波由硬性圍巖傳播到軟巖時，反射系數為負，反射波的極性會反轉。地質界面規模越大，兩側巖石波阻抗差異越大，反射波就越明顯，就越容易探測到地質界面。

基于反射波能量的大小，TRT的有效探測距離在不同巖體中也有差異，如：在巖質隧道中為100～150 m；在軟弱土層及破碎巖體中為60～100 m。

1.2 技術特點[4]

(1) 操作簡單。傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，現場布置簡單；震源只需要用8磅的錘錘擊表面巖體，對施工擾動小，采集時間短，測試過程簡單；對于接收不好的信號，可以簡單重復測試，彌補失誤簡單。

(2) 成本低。采用人工錘擊作為震源，可重復利用，不需耗材，實現“零”成本測試。

(3) 設備可靠度高、適應性強。

(4) 采集信息量大，可繪制三維立體圖，直觀再現異常體的形態、大小，對多種不良地質體反應敏感。

2 工程應用

2.1 礦區水文地質情況

某鐵礦為一大水礦山，目前處于基建期。礦體主要賦存于鈉質石英閃長巖與三疊系徐家山組地層接觸帶。礦床主要充水含水層為頂板徐家山組巖溶裂隙含水層，溶孔、溶蝕裂隙較發育，富水性強，且水頭壓力較高。鈉質石英閃長巖巖體頂部接觸帶，成巖裂隙發育，蝕變強烈，富水性強，為礦體直接底板。礦坑涌水量較大，礦區水文地質條件復雜。井筒及巷道掘進過程中的揭露情況表明，突、涌水現象比較頻繁，圍巖穩固性較差，施工進度受到較大的影響。

2.2 數據采集及探測結果分析

本次試驗選取目前正在掘進施工的幾個工作面進行探測，包括措施井-320 m中段沿脈巷及主副井-240 m中段石門巷。通過探測掌子面前方100 m范圍內的地質情況，推測前方巖層的含水情況，從而制定相應的處理措施，避免掘進過程中可能存在的突水威脅。

利用TRT超前地質預報系統圖像顯示程序以任意角度旋轉觀察探測結果，可以對探測結果作出全方位的解讀[5]。措施井-320 m中段沿脈巷探測點的探測結果如圖1所示。

圖1 -320 m中段TRT超前地質預報探測結果

圖1中拱圈位置表示現有巷道，其中最右側的拱圈表示巷道掌子面位置；深色部分表示軟弱地質體，淺色部分為較完整巖體；圖1中每個方格的邊長為10 m。結合礦山已有地質資料對預報結果進行分析可知：掌子面前方40 m(里程68 m)以內圍巖相對較完整，地震波波速較穩定；掌子面前方40 m以后開始出現低阻抗異常，里程74～80 m波速相對總體水平較低，并且低阻抗異常較連續，推測為局部破碎帶，不排除充水可能。

主副井-240 m中段石門巷探測點的探測結果如圖2所示。

圖2 -240 m中段TRT超前地質預報探測結果

通過對圖2分析可知，掌子面前方32 m以內圍巖相對較完整，地震波波速較穩定；掌子面前方32 m以后開始出現低阻抗異常，掌子面往前32～42.3 m左上方波速相對總體水平較低，并且低阻抗異常較連續，推測為局部破碎帶，不排除充水可能。

3 TRT與鉆探結果對比分析

為了驗證TRT超前地質探測的結果，并確保巷道掘進安全，在措施井-320 m中段沿脈巷和主副井-240 m中段石門巷相應掌子面分別施工了6個超前探水鉆孔，探查范圍均為50 m。在探水鉆孔的施工過程中發現，-320 m中段沿脈巷掌子面前方42， 48 m分別涌水12， 10 m3/h；而-240 m中段石門巷鉆孔未見涌水，但在前方32～43 m處遇見明顯的破碎帶。

通過TRT超前地質預報結果與鉆探資料對比，發現鉆孔出水位置與超前預報異常區基本接近，表明TRT超前探測技術可以提供巷道掌子面前方的可靠地質信息，指導超前探水設計與施工。

4 結 論

(1) 通過分析TRT超前地質預報結果，并與鉆探及掘進揭露情況進行對比，驗證了TRT技術良好的超前地質預報效果，可以為巷道超前探水設計與施工提供參考。

(2) TRT超前地質預報探測距離較長，操作簡單、測試速度快，三維觀測圖像直觀、成果可靠。

(3) TRT技術對于含水體的準確預報具有一定的局限性，因此，最好與鉆探相結合。即先通過TRT超前地質探測圈定低阻抗異常區域，然后再對該區域進行針對性地深孔超前探水注漿。這樣既可以提高工作效率，也能減少鉆探工程量。

參考文獻：

[1]李 帆，蔣洪林.TRT超前探測技術在井下巷道掘進中的應用[J].有色金屬(礦山部分)，2016，68(4)：57-61.

[2]高 峰，周科平，周炳仁，等.基于TRT技術的礦山井下地質超前預報[J].中國安全科學學報，2014，24(4)：80-85.

[3]劉 杰，廖春木.TRT技術在隧道地質超前預報中的應用[J].鐵道建筑，2011(4)：77-79.

[4]孫天學，陳遵義，王秋旺，等.TRT地質超前預報技術在某礦山的應用研究[J].礦業工程，2013，11(2)：10-13.

[5]何 云，金亞坤，鐘涌芳.TRT超前地質預報技術應用研究[J].交通科技，2015，268(1)：92-94.