TRT技術在礦山巷道地質調查中的應用研究

王忠杰，張 峰，孫 浩

（中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

在井下巷道開挖過程中，經常會遇到復雜的地質環境，尤其是經過礦井水富集區，斷裂破碎帶，巖溶地區以及節理密集發育地段。若礦山巷道開挖前未對井下地質條件進行深入勘探，在施工時極容易引發地質災害。為了防止礦山地質災害的發生，應用超前地質預報技術探明井下地質狀況，準確分析預測開挖巷道范圍內的地質構造，井下水文情況等地質信息，為礦山巷道工程變更設計和施工決策提供地質依據，從而避免可能發生的礦山巷道地質災害，保證礦山巷道施工的安全性[1]。超前地質預報根據施工距離遠近分為近期預報、中期預報和長期預報，其相應的測試手段和儀器也各有不同。近期預報主要肉眼觀察超前鉆孔，中期預報主要用電磁波探測法、地質雷達法，TRT超前地質預報系統，長期預報主要用地震法，也是當前礦山巷道在中長期超前地質預報方法，包括TSP、TRT、TST、負視速度等各種預報方法[2]。多種預報方法如果配合使用會得到更好的預報效果。

自從各種先進的巷道超前地質預報儀器從國外引進以來，我國工程技術人員已經做了很多工程實踐，取得了可觀的經濟效益。邵良杉，周玉等結合圓梁山巷道可能引發的巖溶高壓涌水以及大變形等問題，在全面介紹TSP超前地質預報系統的工作原理基礎上，將TSP系統預報結果和超前地質鉆孔預報結果進行對比，證明TSP預報系統的優越性和適用性。岳中文，范皓宇等在現有巷道超前地質預報方法的基礎上，引進了一種新的超前地質預報方法——瞬變電磁法，該法在進行井下水體不良地質體超前地質預報靈敏度高，有效性高。

本文在簡單介紹了TRT超前地質預報系統的原理，結合礦山巷道工程地質條件以及在施工中發生的地質災害現場，利用現場地質調查和TRT超前地質預報系統的調查結果，做出正確的巷道支護的施工決策，保證了開挖的順利進行和圍巖的穩定性，驗證了TRT超前地質預報系統的有效性。

1 TRT地質預報技術

TRT（Tunnel Reflection Tomography）技術全稱為礦山巷道反射層析掃描成像超前預報技術，它代表了國際上礦山巷道超前地質預報領域最先進的水平。在20世紀60年代誕生于美國，在2006年初被引進入國內，目前在美國、歐洲、奧地利、日本等發達國家應用較多，得到了廣泛的好評。該方法與其他地質探測方法的本質是一樣的，即彈性波反射成像[5]。當震源如電磁波發生器、錘擊等發射的彈性波傳播至聲學阻抗差異界面時（如節理面、斷層面、巖溶等），一部分彈性波透射界面進入前方巖體，而一部分彈性波則被反射回來，反射回來的信號被高靈敏度信號接收器接收，通過地質成像及全息巖土成像技術得到礦石三維圖像，然后就可以對圖像進行分析，即可了解礦山巷道的軟弱帶、斷層破碎帶以及含水層的位置和規模。正常入射至聲學阻抗差異界面時的反射系數可以通過如下數學計算公式獲得：

式中：R——彈性波在界面的反射系數；p1——第一層介質的密度；p2——第二層介質的密度；v1——彈性波在第一層介質中的傳播速度；v2——彈性波在第二層介質中的傳播速度。

圖1 TRT6000探測原理示意

TRT超前地質預報的優點在于采用三維數據處理，能夠直觀清楚地反映礦體的異常情況，能更有效地對反射異常區段進行識別解譯；TRT還能夠實現利用有效便捷的無線傳輸技術進行地震數據采集，而且TRT可由人為控制錘擊激發震源，較少了爆炸對巷道圍巖的損傷，成本較低，操作簡單，可重復使用，TRT技術是井下巷道地質預報的發展的一個方向。

2 礦山巷道施工概況

巷道進口處是一斜坡地帶，斜坡坡角度在20°～30°之間，多是灌木植被。左幅里程樁號ZK110+090～ZK116+990，左線長6900m；右幅YK110+084～119+958，長6874m。兩軸線間距約48.6m，最大埋深約500m。礦山巷道所在區域以武當群片巖為主，地質構造復雜，具有較高的構造應力，且在巷道開挖過程中圍巖質量變化快，在以石英片巖為主的區段圍巖質量較好，以絹云母片巖為主的區段則圍巖質量較低。

圖2 通省礦山巷道塌方現場

圖3 通省礦山巷道涌水現場

在巷道左洞開挖至114+377段時圍巖變形慢慢加大，初期支護開始出現環向裂縫、型鋼拱架剪斷、左右兩側拱腳處拱架受力往里移動等現象，變形持續加劇；2014年4月3日18點50分左右，掌子面ZK114+377處突然坍塌，緊接著ZK114+393～ZK114+377段均坍塌，坍塌碎碴將此段施工巷道完全封閉，ZK114+399～ZK114+393段拱架拱頂部分剪切變形且兩側拱腰均已侵入二襯凈空，ZK114+399～ZK114+447段亦受坍塌影響而導致初期支護拱頂縱向裂縫加大[6]。在當天22點20分左右，坍塌碎碴底部出現突水并持續擴大，上導積水量很快達到30cm，兩側下導坑被積水填滿，由于突水持續擴大且沒有下降的跡象，23點50分左右水已侵至仰拱填充面上并很快漲至二襯臺車位置，經現場測定涌水量約136m3/h。

礦山巷道的施工方及時地對地質災害現場進行了清理，未造成人員傷亡，僅損壞了一些機械設備。為了避免再次發生塌方或者涌水以保證施工安全，經業主和專家組討論決定對掌子面前方采用國際上最領先的TRT技術進行長距離超前地質預報，以為下一步施工決策提供詳細的地質資料。

3 巷道內工作流程

TRT在礦山巷道內工作如下圖4所示，主要組成部分為重錘、計算機、傳感器組件、傳感器信號基站。首先計算機與重錘裝置是有線連接，通過計算機直接控制重錘下落，可有效減少信號延遲，而后重錘下落產生地震波，分布在礦山巷道各處的傳感器接收在圍巖中傳播的地震波振動信號，并通過信號基站傳遞給計算機，傳感器組件與計算機為無線通信，方便安裝傳感器，計算機接收到回傳的信號后保存以備后期分析[7]。

圖4 TRT超前地質預報現場

4 預報結果分析

本次施工地質預報主要采用TRT6000方法探測，并結合現場地質調查進行，探測范圍為ZK114+377～ZK114+247，長127m。根據TRT探測成果圖件（見圖1、圖2），結合現場地質調查，綜合推斷ZK114+377～ZK114+250段圍巖地質情況分述如下：

（1）ZK114+377～ZK114+324，長53m，該段落圍巖波速變化較大，波速較低，圍巖節理裂隙密集發育，多為構造節理，節理傾向與礦山巷道走向近平行，圍巖破碎含水，說明該段為一破碎帶，圍巖級別初步判定為V級，在開挖行進過程中，應加大支護級別，時刻注意地質條件變化并防止局部的結構面切割引起的掉塊現象[8]。

（2）ZK114+324～ZK114+294，長30m，該段落圍巖波速變化一般，波速較低，節理裂隙不發育，無明顯異常現象，圍巖級別較高[9]。

（3）ZK114+294～ZK114+247，長47m，該段落圍巖波速變化較大，圍巖節理裂隙發育，節理傾向與前方節理方向比較一致，推測圍巖質量一般。

基于對預報結果的分析，為了能順利通過該段破碎帶，經討論決定使用30m大管棚注漿超前支護并配合三臺階法施工[10]。在開挖過程中遇到的地質情況與超前地質預報結果基本吻合，證實了TRT地質預報系統的有效性。

5 結語

（1）TRT地質預報系統簡單有效，比其他傳統的預報系統具有一定的優勢，未來具有巨大的發展潛力。

圖5 巷道圍巖異常圖

（2）由于正確的使用了TRT超前地質預報系統，并在爆破開挖后證實了基于TRT超前地質預報的正確性，避免了因施工不當引起地質災害的發生，取得了比較好的經濟效益。

（3）應該看到，在以后的礦山巷道工程施工中，由于前期勘查深度較粗放，在實際的施工過程中，應加大對地質預報的重視程度，并結合多種調查手段保證預報的正確性。