TRT與地質雷達在馬坑鐵礦中的超前探測應用研究

李欣洋, 吳超凡

(1.福州大學 紫金地質與礦業學院,福建 福州 350108;2.龍巖學院 資源工程學院,福建 龍巖 364012)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展,我國對各類金屬的需求逐漸加大,經過近幾十年的開采,地下開采已成為礦山發展的方向。[1]馬坑鐵礦屬于典型頂板巖溶水直接充水的大水礦床,礦區內斷裂構造和巖溶發育,礦體埋藏深度大,涌水量大,礦區水文地質條件十分復雜[2-4],這使得單一物探手段難以精準解析巷道前地質構造的詳細情況。因此,為了避免超前探測的多解性影響探測結果,本文采用TRT-6000和地質雷達兩種手段相結合的綜合物探方法,對馬坑鐵礦掘進巷道前方進行超前探測,兩種手段相互對比、論證,提高探測精度,為實際工程提供可靠的地質構造情況,保障現場施工的順利進行、施工人員的生命安全和財產安全。

1 綜合物探預報方法原理

1.1 TRT-6000檢測原理

作為一種較為新穎的物探技術,TRT-6000超前地質預報系統的原理主要是借鑒電子信號學中的電阻抗概念[5],利用介質的波阻抗(介質密度與波速的乘積)差異來進行預報工作:當地震波遭遇波阻抗存在差異的界面時,會發生反射與透射現象,一部分地震波信號從界面反射回去,另一部分繼續向下透射進入下一層介質。波阻抗的變化通常與地質巖層面或巖體界面不連續有關。通過分析高靈敏度傳感器所接收的來自掌子面前方的地震波反射信號,可以對巷道掘進掌子面前方的異常地質體(如斷層破碎帶、富水帶、軟弱帶等)的位置深度和規模大小做出預報工作。正常入射到邊界的反射系數計算如公式(1)所示:

(1)

式中:R為地震波反射系數;V1、V2為地震波在不同巖性介質中的傳播速度。

由式(1)可知,當上下層介質的波阻抗存在差異的時候,地震波將在上下層介質的分界面上產生反射回波,故嚴格來說,速度差異界面不一定會發生反射回波,波阻抗差異界面才是介質的反射界面。由上式可知,若介質2的波阻抗大于介質1(即介質2為高阻抗物質,介質1為低阻抗介質),反射系數為正值;反之,反射系數為負值。因此,由上式我們可得出:當介質1的巖性十分破碎,接近空氣時,上式中的ρ1V1無限趨近于0,則可計算出R無限趨近于1,即發生地震波全反射現象,地震波能量無法穿透介質2;反之,當介質2的巖性十分破碎、接近空氣時,上式中的ρ2V2無限趨近于0,R則無限趨近于-1,此刻地震波發生全透射現象,地震波沒有能量返回。

TRT系統通過布置在掘進巷道兩幫側壁和拱頂等部位的多個高靈敏加速度傳感器接收震源激發的彈性地震波信號,并對采集到的信號進行數據處理和解譯工作,最終得到物探成果。TRT系統的傳感器采集數據原理如圖1所示。

圖1 TRT-6000超前探測原理圖

1.2 地質雷達檢測原理

地質雷達的頻率介于106至109Hz,與地震波類物探手段相比,其優勢是自身電磁波具有高頻率的特性,因此相較于地震波類物探手段具有較高的分辨率。其原理是利用介質的電性差異,使得地質雷達在傳播過程中遇到不同電性的地質體會發生反射,通過分析回波信號的波形和強度等特征參數來判斷前方目標體的幾何形態和位置,在巷道迎頭前方0～30 m范圍內探測構造、精度較高。但是由于頻率高,信號衰減快,超前探測距離有限,對工程施工干擾較大等不足也比較明顯。[6-8]

對于地質異常體精確探測深度確定,若接收和發射天線間距x與穿透深度X滿足x?X,則雷達對目標體的探測深度計算公式,可由公式(2)來計算得出。

(2)

式中:X為穿透深度,m;V為電磁波在各類介質中的傳播速度,m/ns;T為電磁波在各類介質中的雙程走時,ns。

1.3 數據解釋原則

1.3.1 TRT數據解釋原則

TRT-6000超前體制預報系統探測結果主要依托對三維層析掃描圖和二維波速的分析和判斷,這兩種圖都是來源于地震波的反射信號。簡單來說:通過反演計算所得的三維圖由兩種顏色(黃和藍)構成,它們分別代表不同波阻抗的地質體,判斷原則為:若出現藍色區域,則表示該區域波阻抗較低,地震波穿過該區域發生了低阻反射,該區域的圍巖較為破碎、完整性較差或存在含水構造;若出現黃色區域,則表示該區域波阻抗較高,地震波穿過該區域發生了高阻反射,該區域的圍巖較為堅硬或完整性良好。

1.3.2 地質雷達數據解釋原則

地下介質的介電常數差異是地質雷達數據解釋的重要依據,而不同地質體的特征電磁波形正是由于介電常數不同所產生的。因此,在對所得數據進行翻譯解釋時,所依據的方法原則,便是不同異常地質體的特征波形差異,如:

(1) 斷層破碎帶:破碎帶的波形以中低頻信號為主,波形雜亂,多呈帶狀分布等;

(2) 富水帶:由于水的介電常數最大(81),且巖層介電常數差異較大,電磁波在富水的介質中傳播速度明顯降低,因此呈現出均勻的低頻信號,信號變低,變化較快,同相軸連續均一,呈層面反射狀,振幅強,波形相對較均一,較容易產生多次振蕩。[9-12]

2 預報實例

2.1 地質調查

本次超前探測位于龍巖市馬坑鐵礦礦區18分段85-2探礦巷,在井下巷道現場實地調查中,發現巷道巖性為石英細砂巖,灰白色,砂狀結構,塊狀,碎屑物為石英,硅質膠結為主,次為泥質,碳酸鹽化及綠泥石化,具有弱鉀化和黃鐵礦化,局部裂隙見星點狀的輝鉬礦化。掌子面掘進前方的前部為透輝石-磁鐵礦,顏色為鐵黑色,微細粒,為稠密浸染狀構造,次為反斑雜狀,礦石礦物為磁鐵礦,脈石礦物主要為透輝石,呈斑點狀及團塊狀,有少量石榴石、方解石、少量石英、方解石細脈穿插;掘進前方的后部為矽卡巖,以透輝石為主,黃綠色,裂隙為石英細脈充填,下部具若赤鐵礦化,沿裂隙見赤鐵礦及綠泥石,如圖2所示。

圖2 巷道地質概況

2.2 TRT超前探測

2.2.1 TRT-6000探測技術現場布置

TRT的震源和檢波器采用分布式全空間立體布置方式,具體布置方法如圖3所示。

圖3 震源和檢波器的布置方法

2.2.2 結果分析

通過對現場進行TRT超前探測,進行數據分析解譯可得原始波形圖(圖4)、波速(圖5、圖6)、三維成像圖(圖7～圖9)。

圖4 原始波形圖

圖5 波速圖(掌子面在圖中35處)

圖7 三維成像圖(俯視圖)

圖8 三維成像圖(側視圖)

圖9 三維成像圖(立體圖)

根據以上圖像,結合前人總結的礦區地質資料以及現場巷道掌子面地質編錄情況,并參照不同地質異常體的地震波特征和TRT圖像特征,可得出綜合解析結果見表1。

表1 TRT-6000三維圖像綜合結果匯總表

2.3 地質雷達探測

2.3.1 測線布置方法及系統參數設置

(1) 由于各測點現場掌子面高寬基本一致,因此每個測點按照距離地面1.5 m左右處并且間隔10 cm/道進行地質雷達超前探測,具體測線如圖10所示。

圖10 地質雷達測線布置圖

(2) 地質雷達采集模式采用點測方式,采樣點數為512點/道,時窗設置為630 ns,深度范圍150 cm,掃描速度為256道/s,介電常數設置為9.0。

通過軟件進行數據處理,可得85-2探礦巷波形圖如圖11所示,共測得41道數據,測深為30 m。

圖11 85-2探礦巷地質雷達波形圖

根據圖11地質雷達波形圖像,結合前人總結的礦區地質資料以及現場巷道掌子面地質編錄情況,并參照不同地質異常體的雷達波形圖像特征,可得出綜合分析如下:

掌子面前方0～15 m范圍內波形雜亂,2 m、5 m、10 m處附近同相軸錯斷明顯,15 m后能量衰減快較快,推測0～15 m圍巖破碎,裂隙發育,結合現場條件,推測前方局部裂隙水發育。15～30 m局部見少量雜波,推測該范圍內存在少量節理裂隙。

3 開挖驗證對比

通過現場開挖驗證,巷道局部節理裂隙發育,有滴水和淋水情況,在距離探測點前方約50 m位置巷道頂板側有裂隙發育,巖石穩定性差,裂隙聯通著靜態水溶洞,水質渾濁,含泥沙。

4 結論與展望

(1) 由于馬坑鐵礦中礦石礦物多為石榴子石磁鐵礦,其自帶磁性,若是探測前方為礦物采掘巷道,易對地質雷達探測結果造成較大影響,且對于開挖驗證中提及的巖溶構造,由于受到探測深度以及掌子面寬度的影響,對于巖溶構造的預報,單靠地質雷達無法對巖溶構造做出有效的預報,因此,只采用一種探測方法進行超前探測,容易造成數據多解性,引起較大誤差。結合多種探測手段,綜合解析,能夠提高精準度,得出較準確的預報結果。

(2) 地質雷達與TRT技術擁有截然不同的優劣勢,二者結合,可有效發揮“長短結合,優勢互補”,通過現場實際開挖驗證,證明這種結合手段對于鐵礦巷道中構造和含水等方面有著較好的預報效果,可為類似金屬礦山巷道超前地質預報提供一定的參考。

(3) 目前,TRT-6000超前地質預報系統采用的震源是通過錘擊來產生地震波,這對于接受傳感器的靈敏度有很高的要求,但是傳感器的靈敏度與可接收的外界干擾噪聲能量成正比,因此如何在提高靈敏度的前提下降低干擾,是目前亟待解決的問題之一。