煤層瓦斯隧道中開展TSP探測工作的研究與探索

智 剛

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司 天津 300133)

0 引言

地震波反射法是超前地質(zhì)預報中應用最早最廣泛的地球物理方法[1-2]。瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP，其作為地球物理方法中相對成熟的超前地質(zhì)預報手段，在公路、鐵路、城市軌道交通及穿江過海隧道中已經(jīng)得到了廣泛應用，在TBM施工的隧道中也已經(jīng)開始嘗試施作[3-4]。但TSP探測在含煤高瓦斯隧道中應用較少，真正采集到合格數(shù)據(jù)的很少[5]。目前，在煤層瓦斯隧道采用的主要預報方法為地質(zhì)素描、超前水平鉆探和加深炮孔探測[6]，在煤礦系統(tǒng)會采用瞬變電磁儀進行超前探水，但是在鐵路瓦斯隧道中用于超前地質(zhì)預報的物探手段極少，由于煤層瓦斯隧道施作條件的限制，TSP探測也是在近兩年技術(shù)更新后才開始應用在此類隧道中進行超前探測[7]。筆者主要從含煤瓦斯隧道TSP數(shù)據(jù)采集和分析兩個方面著手，并以成貴鐵路高瓦斯隧道地質(zhì)預報為例，研究討論如何在煤層瓦斯段提高TSP預報的精準度[8]。

1 開展預報工作的重要性

煤層瓦斯隧道除了要面臨含煤地層巖體強度低導致的隧道沉降、變形和坍塌等危害外，還要防止瓦斯等可燃氣體導致的突出、燃燒、爆炸、毒性和窒息風險。如果隧道通過范圍內(nèi)存在煤層采空區(qū)，會導致隧道沉降、變形和坍塌，有時甚至要穿過煤礦采空區(qū)，給鐵路工程施工建設(shè)及后期運營帶來嚴重的安全隱患及危害。

針對煤層瓦斯隧道的危害，準確預報出煤層發(fā)育位置和影響范圍，對及時做好揭煤準備，對安全、經(jīng)濟的穿越煤層有重大意義。準確的預報結(jié)論可以及時發(fā)現(xiàn)異常，判定掌子面前方煤層及采空區(qū)的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖方式、設(shè)計支護參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預防煤層瓦斯地段可能存在的瓦斯突出、涌水、結(jié)構(gòu)沉降等安全隱患及時提供信息參考。

2 煤層與隧道的結(jié)構(gòu)關(guān)系及工程特性

煤層瓦斯隧道有著地質(zhì)條件復雜和風險高的特性。隧道線路選擇穿過含煤地層時，應避開富煤區(qū)、瓦斯或硫酸根含量較豐富的地段；當不能避開時，應使其通過的長度最短,應盡可能垂直或接近垂直的大角度穿越接觸帶[9]。因此，常見的煤層瓦斯隧道為直接洞穿煤層的，除了大角度穿越煤層外，還有以下幾種發(fā)育關(guān)系。

2.1 隧道上覆煤層

此發(fā)育關(guān)系對隧道開挖影響較小，位置關(guān)系見圖1，但是如果上覆煤層為可采煤層，存在采空區(qū)，可能造成老窯水涌入、突泥甚至瓦斯涌出，引起工程災害。上部采空區(qū)和隧道拱頂?shù)木嚯x有安全值標準，具體可參照深埋隧道的垂直松弛壓力高度值來確定，如果采空區(qū)距離隧道頂部大于30 m，可以不考慮采空區(qū)對隧道的影響[10]。

2.2 隧道下伏煤層

隧道下伏煤層的發(fā)育關(guān)系導致兩個主要的工程問題，①煤層瓦斯通過貫通裂隙向隧道上逸，常見的有隧道底板積水冒泡；②煤層距離隧道底板較近時，可能存在采空區(qū)，此類采空區(qū)易使支護結(jié)構(gòu)變形、偏移、沉降甚至坍方，處理措施復雜，還可能導致運營期間的安全隱患，是采空區(qū)對隧道影響最嚴重的一種形式。位置關(guān)系見圖2。

2.3 隧道與煤層相交

層狀發(fā)育的含煤地層一般強度較低，瓦斯富集，且煤層本身的巖體強度并不高，加上煤遇水易軟化及煤的破壞性，使得煤層具有軟弱夾層及巖體破碎帶的特征，其對隧道影響程度的大小，與煤層的強度、厚度及夾角有關(guān)。如果隧道通過范圍內(nèi)存在煤層采空區(qū)，會導致隧道沉降、變形和坍塌，甚至要穿過煤礦采空區(qū)，給鐵路工程施工建設(shè)及后期運營帶來了嚴重的安全隱患及危害。

圖1 隧道上覆煤層示意圖Fig.1 Diagram of overlying coal seams of the tunnel

圖2 隧道下伏煤層示意圖Fig.2 Diagram of underlie coal seams of the tunnel

圖3 隧道與煤層相交示意圖Fig.3 Diagram of tunnel intersecting with coal seams

與隧道相交的除層狀發(fā)育的煤層外還有雞窩狀的煤層，此類煤層發(fā)育沒有規(guī)律，可能多個聚集在一起也可能串珠狀發(fā)育，或者零星分布。

3 煤層瓦斯隧道的TSP數(shù)據(jù)采集

3.1 施工條件對雷管和炸藥造成的局限性

TSP的數(shù)據(jù)采集需要用雷管激發(fā)炸藥，但是煤層瓦斯隧道對于雷管和炸藥的管理和使用有著嚴苛的標準和限制性。在瓦斯地段，必須使用煤礦許用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管及煤礦許用炸藥。由于受各種條件限制和區(qū)域管控因素影響，很多項目瓦斯隧道工點無法提供或使用瞬發(fā)電雷管，在這種情況下，原有采用常規(guī)瞬發(fā)電雷管的TSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)場條件。

圖4 PVC管對炮孔臨時支護Fig.4 Temporary support of PVC pipes for holes

圖5 新型斷路觸發(fā)器(WBT)Fig.5 Wire break trigger box

3.2 炮孔成孔率及優(yōu)化措施

煤層瓦斯段TSP炮孔成孔率非常低，這種地層不僅要求施鉆人員按照要求快速、平直的打好炮孔，還要求后續(xù)的裝藥要及時完成。根據(jù)成貴鐵路高瓦斯隧道TSP施做總結(jié)的兩點優(yōu)化措施：①在打好炮孔和裝藥的空窗期，用比孔徑稍細的PVC管插入孔中起到支撐保護的作用，這項工作的開展對支護炮孔效果較好，但是需要和現(xiàn)場人員積極溝通，并且現(xiàn)場負責人有很好的執(zhí)行力；②預報人員提前達現(xiàn)場，施工單位再安排3～5名鉆工同時打孔，軟巖地層鉆孔速度也較為理想，毎鉆好一孔就立即測量參數(shù)并裝藥做采集準備工作，避免塌孔，這種護孔采集方式行之有效，但占用施工作業(yè)面的時間更久。

3.3 新型斷路觸發(fā)器(WBT)的使用

由于瓦斯隧道對雷管炸藥的限制性，原本用于TSP采集的瞬發(fā)電雷管不可使用，現(xiàn)場的施工隊伍只可以提供延時雷管，原有的TSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳統(tǒng)斷路觸發(fā)器已無法滿足采集要求，負責TSP研發(fā)生產(chǎn)的瑞士安伯格公司，根據(jù)現(xiàn)場反饋和采集數(shù)據(jù)開發(fā)了第一代可用于延時雷管的新型觸發(fā)器(WBT)，見圖5。

3.3.1 WBT原理

WBT與傳統(tǒng)觸發(fā)器工作原理不同，其連接方式也和傳統(tǒng)的觸發(fā)器有本質(zhì)區(qū)別，但它的工作方法仍支持 TSP 系統(tǒng)的測量，采用WBT連接的TSP采系統(tǒng)見圖6。其原理在于觸發(fā)記錄單元開始記錄的時間是雷管把連接WBT的斷路導線炸斷的瞬間，而不是起爆器起爆的時間，因此便可得到更高的觸發(fā)精度，尤其適用于使用毫秒雷管起爆觸發(fā)震源的作業(yè)面。這種采集方式對雷管和斷路導線的連接要求比較高，如圖7所示，在雷管前半部分用膠帶把打上線圈的斷路導線粘牢，避免在裝藥過程中移位或者脫落。而且要用絕緣膠布將斷路導線腳線纏繞粘牢，采集時所使用的斷路導線一定要能和雷管起爆線在顏色上分開，防止接錯線導致雷管啞炮而引起安全事故。

圖6 采用WBT連接的TSP采集系統(tǒng)Fig.6 TSP acquisition system connecting with WBT

圖7 WBT回路導線和雷管的連接方式Fig.7 Connection type of WBT return conductor and detonator

圖8 使用傳統(tǒng)觸發(fā)器接收毫秒管起爆地震波圖Fig.8 Millisecond detonator seismograms receiving by traditional trigger

圖9 使用WBT接收毫秒管起爆地震波圖Fig.9 Millisecond detonator seismograms receiving by WBT

3.3.2 延時雷管直接采集與WBT采集的區(qū)別

同一段位的毫秒雷管延時并不一致，而是在一個幅值內(nèi)隨機觸發(fā)，由于毫秒延期雷管的發(fā)爆時間誤差過長，這對數(shù)據(jù)分析過程的初至拾取非常不利，其初至時間沒有規(guī)律(圖8)。采用WBT采集的效果有本質(zhì)的改善(圖9)，雖然有個別炮點出現(xiàn)不同程度的延時或提前觸發(fā)接收信號，但總體上直達波初至時間與距接收器距離符合速度值的線性關(guān)系。

3.3.3 WBT使用分析

同樣的藥量，采用WBT進行采集，能量均比傳統(tǒng)觸發(fā)器接受的能量弱，所以在煤層瓦斯隧道進行裝藥時，藥量要適當增加。WBT在使用過程中會偶然存在一些問題，比如延時或提前觸發(fā)接收器。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，分析出以下可能的原因：

1)斷路導線綁定在雷管上的位置不同或?qū)Ь€在雷管插入炸藥的過程中脫落，導致斷路導線在雷管起爆時的受力不同，造成斷路導線在雷管起爆時被炸斷的先后時間不同。

2)炸藥和雷管的起爆有時間差，造成了斷路導線被炸斷的時間早于炸藥起爆的時間。

3)偶然因素造成炸藥雖然起爆，但是斷路導線延遲斷路或者儀器自身的小概率故障事件。

3.4 炮孔封孔

圖10 水封和不封的地震波圖對比圖Fig.10 Comparative seismograms map of water seal and not seal

因為煤層瓦斯隧道的炮孔巖體破碎，裂隙發(fā)育，部分炮孔還可能有瓦斯聚集，而且為了保證炮孔內(nèi)的炸藥能量激發(fā)，所以在封孔時應采用水封、水泡泥或炮泥封孔，以保證采集效果[11]。圖10是未封孔和水封的地震波形圖，從圖10中可以明顯看出未水封的前9炮能力損失嚴重，采集數(shù)據(jù)無法滿足分析要求[12]。

4 煤層瓦斯隧道的TSP數(shù)據(jù)分析

根據(jù)成貴鐵路高瓦斯隧道TSP探測的經(jīng)驗，對煤層瓦斯隧道的TSP數(shù)據(jù)進行分析研究(數(shù)據(jù)設(shè)置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理及雙接收器)。

4.1 數(shù)據(jù)設(shè)置

數(shù)據(jù)設(shè)置中重要的是數(shù)據(jù)長度和歸零兩個步驟。數(shù)據(jù)長度按照公式(1)計算得到，數(shù)據(jù)長度短將會切掉有效波，太長則干擾多[13]。一般歸零設(shè)置過大將會截去有效波，根據(jù)經(jīng)驗可以取0.125，也可比0.125稍大。

數(shù)據(jù)長度=2×2.5×探測距/縱波速度Vp(1)

4.2 帶通濾波

帶通濾波中的頻譜曲線應該符合左右不對稱的正態(tài)分布的趨勢。如果炮孔和接收孔都布置在軟質(zhì)巖層里，主要頻率基本集中在最大到1 000 Hz左右的區(qū)間內(nèi)。若是炮孔和接收孔布置在硬質(zhì)巖層里，主要頻率的分部區(qū)間可能會大一些，如圖11所示。值得注意的是，有些采集效果不太理想的數(shù)據(jù)，在較高頻段頻譜很粗糙，頻譜線條猶如很多尖角的折線段拼接而成，這是由于較高頻段干擾波較多，遇到這種情況，選擇這一段頻率地震波可能即有有效波，又有干擾波，要根據(jù)情況注意取舍，如圖12所示，左側(cè)為較低頻段圓滑的頻譜曲線，右側(cè)為高頻棱角粗糙的頻譜曲線。

圖11 硬質(zhì)巖層帶通濾波頻譜圖Fig.11 Hard rock band pass filter spectrum

圖12 較低頻段和較高頻段頻譜圖Fig.12 Low frequency and high frequency spectrum

4.3 初至拾取

識別直達波以最快的速度到達接收器的時間點，初至拾取的另一個目的就是計算出直達波的速度。由于開挖擾動帶的存在，每一道波都有不同的初至時間，應屏蔽掉不需要的初至，使得截距時間接近“0”。接收器和炮孔并不在同一水平面，而是具有一定的高差，通過屏蔽就無法使得截距接近“0”，但是這種情況應該保證時距曲線通過較多的起跳點并且選取到合適的速度。在處理這一步的時候，一定要考慮圍巖波速(如煤的縱波速度范圍0.8 km/s～1.5 km/s)。

初至拾取每一個軸向都要盡量拾取，而且拾取一定要準確，要把拾取界面放大到足夠大[14]，在拾取的同時要注意宏觀的對比，排除誤選的可能。在軟弱巖層帶通濾波取值范圍過小的情況下會使得地震波波長太大，影響拾取，可以適當增大帶通濾波的取值范圍。使用雙接收器時，要注意主副接收器速度一致。

4.4 拾取處理

選擇強制校直為線性，選擇縱波與橫波的速度比(Vp/Vs)約為1.73，可以根據(jù)經(jīng)驗或通過分析比較再選擇較理想的數(shù)值。

4.5 雙接收器的對比分析

在數(shù)據(jù)分析時，有些參數(shù)是未知的(如Vp/Vs)，要逐步通過改變參數(shù)大小來比較，并確定合適的參數(shù)。在理想狀態(tài)下主、副接收器確定的數(shù)據(jù)成果應該是一致的，可以通過改變參數(shù)使主、副接收器的數(shù)據(jù)成果達到一致，來確定未知參數(shù)的大小。一定要結(jié)合實際情況，不能為了只求主副接收器成果數(shù)據(jù)的一致性，而忽略數(shù)據(jù)成果與實際情況的對比。

5 工程實例

利用總結(jié)采集方法和分析手段，對成貴鐵路兩條煤層瓦斯隧道進行TSP探測。其中一條是極高風險且具有瓦斯突出風險的玉京山隧道，進行TSP探測的段落內(nèi)基巖巖性為二疊系龍?zhí)督M灰?guī)r、泥灰?guī)r夾煤層，TSP最終成果圖13所示，根據(jù)成果圖和已揭示段圍巖的對比，得出的 TSP預報結(jié)論為DK279+047～+090段巖體較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中DK279+065～+090段存在軟弱夾層，含水；DK279+090～+167 段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，地下水較發(fā)育。

圖13 玉京山隧道TSP探測成果圖Fig.13 TSP detection results of Yujing hill tunnel

圖14 玉京山隧道鉆探剖面圖Fig.14 Profile map of Yujing hill tunnel drilling

根據(jù)TSP的探測資料，對掌子面進行有針對性的鉆孔設(shè)計，設(shè)計為5孔，鉆孔參數(shù)經(jīng)參建四方一同會商確定，鉆孔成果剖面圖如圖14所示，鉆探結(jié)論為DK279+069～+099段主要為灰?guī)r，巖體較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育，其中DK279 +071處下臺階底板附近左邊墻開始發(fā)育一條0.1 m厚的煤層；DK279 +084處下臺階底板附近左邊墻開始發(fā)育一條0.25 m厚的煤層；兩條煤層較薄，賦存不穩(wěn)定；孔口瓦斯最高濃度為0.8%。

實際開挖揭示煤層與鉆探和TSP探測預報的軟弱夾層位置相符，如圖13中所標識的一致。所以在較硬巖和硬巖地層中發(fā)育煤層，TSP探測結(jié)論若存在軟弱夾層，可以結(jié)合設(shè)計資料推斷為具備煤層發(fā)育條件段落，進一步進行超前鉆探探測，確定不良地層的確切性質(zhì)，保證施工安全。

另一條進行TSP探測的高瓦斯隧道，探測段落內(nèi)基巖巖性為二疊系龍?zhí)督M泥巖、炭質(zhì)頁巖、鋁土巖夾煤層，此段在設(shè)計上處于隧道軟巖大變形段。根據(jù)TSP探測結(jié)果，可以推斷兩個段落的軟質(zhì)巖體(圖15)，但無法確定煤層發(fā)育的位置和范圍。根據(jù)TSP探測結(jié)果對兩個軟巖段落進行超前鉆探，共進行了11個孔的鉆探，最長水平鉆進深度85 m，其中有6孔揭示同一煤層，利用鉆探成果進行計算，煤層真厚約為27 cm，煤層薄，且煤層處在軟巖地層中，這就暴露了TSP在軟巖地層中對煤層探測的局限性。

實際開挖揭示此段地層為炭質(zhì)頁巖、鋁土巖夾煤層，巖質(zhì)軟。TSP結(jié)論對圍巖的判別并沒有問題，但是在軟巖和較軟巖地層中發(fā)育煤層，TSP探測對煤層發(fā)育位置及范圍沒有準確的指導建議。

圖15 軟巖段TSP探測成果圖Fig.15 TSP detection results of soft rock section

6 結(jié)論與建議

1)采集。在煤層瓦斯隧道的TSP采集工作，要保證采集環(huán)境的安全，保證隧道內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的通風，使洞內(nèi)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定且小于0.75%(或0.5%)；因掌子面附近瓦斯易于聚集，第一個炮孔孔位距離掌子面應保留一定的距離。其次應保證炮孔成孔質(zhì)量，采用合適的下傾角度；炮孔鉆探完成后用PVC管優(yōu)化成孔率，防止塌孔；加強炮孔水炮泥封孔質(zhì)量。如施工方提供的是毫秒延時雷管，還應使用斷路觸發(fā)器(WBT)等新型設(shè)備來保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量合格。

2)數(shù)據(jù)分析。進行數(shù)據(jù)分析時，重點對比數(shù)據(jù)設(shè)置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理及雙接收器。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件選取合適的參數(shù)，分析過程中通過改變參數(shù)使主、副接收器的數(shù)據(jù)成果達到一致，來確定未知參數(shù)大小，分析出多種不同成果圖，開挖后對比反演，利用樣本大數(shù)據(jù)總結(jié)經(jīng)驗。在采集和分析過程中對發(fā)現(xiàn)的問題匯總統(tǒng)計，定性定量地分析原因，解決問題。

當煤層走向和隧道呈大角度交角，且煤層厚度具有可被探測的規(guī)模時，TSP法低速異常區(qū)可宏觀判釋煤層分布；在軟質(zhì)巖煤系地層圍巖中，橫波在煤層段的波速變化相對P波較為敏感。煤層段落圍巖地震波波速(特別是橫波)降低和持續(xù)的泊松比增高特征，是隧道煤層分布及媒層瓦斯富集有意義的參考，再結(jié)合勘察資料和其他預報手段綜合分析[15]。

3)TSP探測的局限性。由于煤層的發(fā)育不規(guī)律性、煤層薄層狀發(fā)育、水平煤層的發(fā)育，這都給TSP探測帶來了局限性。所以煤層瓦斯隧道應采用綜合預報方法，以TSP為主進行長距離探測，再根據(jù)TSP探測資料、地質(zhì)素描和設(shè)計文件有針對性地進行鉆孔設(shè)計，綜合判定煤層位置和瓦斯突出可能性，并在開挖過程中對瓦斯?jié)舛茸龊脤崟r監(jiān)控。