侯垣麒,楊 龍,劉天奇
(1.蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司, 安徽 蕪湖市 241012;2.五礦邯邢礦業(yè)邯鄲地質(zhì)勘查有限公司, 河北 邯鄲市 056000)
TRT(true reflection tomography)超前地質(zhì)探測是目前礦山巷道施工中比較先進的預(yù)報技術(shù),在水利、道路、城市地下等工程中也具有廣泛的應(yīng)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(dǎo)水構(gòu)造的可能性較大,尤其是大水礦山,水文地質(zhì)條件尤為復(fù)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(shù),可以及時預(yù)測前方異常地質(zhì)情況,從而為井巷防治水方案及超前探水優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù),也可提前對可能存在的突發(fā)事故做好預(yù)防工作,對保證施工安全具有重要意義[2]。
TRT是地震波反射層析成像技術(shù)的簡稱,其主要由信號觸發(fā)模塊、信號接收模塊及信號分析模塊三大模塊組成。該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異(即巖石波阻抗,為密度和波速的乘積)界面時發(fā)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(zhì)。巖石波阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)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(zhì)體的性質(zhì)(如巖溶、軟弱帶、破碎帶、斷層、含水體等)、位置及規(guī)模。
反射系數(shù)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(shù)為正;地震波從高阻抗巖層傳播到低阻抗巖層時,反射系數(shù)為負。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ绍泿r傳播到硬巖時,入射波和反射波的偏轉(zhuǎn)極性是一致的。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ捎残試鷰r傳播到軟巖時,反射系數(shù)為負,反射波的極性會反轉(zhuǎn)。地質(zhì)界面規(guī)模越大,兩側(cè)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(zhì)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(zhì)隧道中為100~150 m;在軟弱土層及破碎巖體中為60~100 m。
(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(xiàn)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(fù)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(fù)利用,不需耗材,實現(xiàn)“零”成本測試。
(3) 設(shè)備可靠度高、適應(yīng)性強。
(4) 采集信息量大,可繪制三維立體圖,直觀再現(xiàn)異常體的形態(tài)、大小,對多種不良地質(zhì)體反應(yīng)敏感。
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(zhì)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(fā)育,富水性強,且水頭壓力較高。鈉質(zhì)石英閃長巖巖體頂部接觸帶,成巖裂隙發(fā)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(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。井筒及巷道掘進過程中的揭露情況表明,突、涌水現(xiàn)象比較頻繁,圍巖穩(wěn)固性較差,施工進度受到較大的影響。
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(nèi)的地質(zhì)情況,推測前方巖層的含水情況,從而制定相應(yīng)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(zhì)預(yù)報系統(tǒng)圖像顯示程序以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察探測結(jié)果,可以對探測結(jié)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(jié)果如圖1所示。
圖1 -320 m中段TRT超前地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果
圖1中拱圈位置表示現(xiàn)有巷道,其中最右側(cè)的拱圈表示巷道掌子面位置;深色部分表示軟弱地質(zhì)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(jié)合礦山已有地質(zhì)資料對預(yù)報結(jié)果進行分析可知:掌子面前方40 m(里程68 m)以內(nèi)圍巖相對較完整,地震波波速較穩(wěn)定;掌子面前方40 m以后開始出現(xiàn)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(xù),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(jié)果如圖2所示。
圖2 -240 m中段TRT超前地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果
通過對圖2分析可知,掌子面前方32 m以內(nèi)圍巖相對較完整,地震波波速較穩(wěn)定;掌子面前方32 m以后開始出現(xiàn)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(xù),推測為局部破碎帶,不排除充水可能。
為了驗證TRT超前地質(zhì)探測的結(jié)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(yīng)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(fā)現(xiàn),-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(zhì)預(yù)報結(jié)果與鉆探資料對比,發(fā)現(xiàn)鉆孔出水位置與超前預(yù)報異常區(qū)基本接近,表明TRT超前探測技術(shù)可以提供巷道掌子面前方的可靠地質(zhì)信息,指導(dǎo)超前探水設(shè)計與施工。
(1) 通過分析TRT超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果,并與鉆探及掘進揭露情況進行對比,驗證了TRT技術(shù)良好的超前地質(zhì)預(yù)報效果,可以為巷道超前探水設(shè)計與施工提供參考。
(2) TRT超前地質(zhì)預(yù)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(shù)對于含水體的準確預(yù)報具有一定的局限性,因此,最好與鉆探相結(jié)合。即先通過TRT超前地質(zhì)探測圈定低阻抗異常區(qū)域,然后再對該區(qū)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(shù)在井下巷道掘進中的應(yīng)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(shù)的礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2014,24(4):80-85.
[3]劉 杰,廖春木.TRT技術(shù)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2011(4):77-79.
[4]孫天學(xué),陳遵義,王秋旺,等.TRT地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)在某礦山的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)工程,2013,11(2):10-13.
[5]何 云,金亞坤,鐘涌芳.TRT超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用研究[J].交通科技,2015,268(1):92-94.