李 好

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

近年來(lái)，全空間條件下的主動(dòng)源地震波反射法被廣泛應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，已成為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最主要的物探方法之一。主動(dòng)源地震波反射法在隧道的應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司研發(fā)的TSP202超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[1-2]，和國(guó)內(nèi)鐵道部科學(xué)研究院研制的“陸上極小偏移距高頻彈性波反射連續(xù)剖面法”(簡(jiǎn)稱(chēng)“陸地聲吶法”)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[3]開(kāi)始的，之后美國(guó)NSA工程公司在21世紀(jì)初研發(fā)了TRT系統(tǒng)[4]，同時(shí)國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)也開(kāi)始研究“水平垂直剖面法”和“負(fù)速度法”的隧道地震波反射法[5]；20世紀(jì)末至2003年期間,中科院地質(zhì)與地球物理研究所和云南航天工程物探檢測(cè)公司合作開(kāi)發(fā)了TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[6]；2003年北京水電物探研究所也開(kāi)始研發(fā)類(lèi)似瑞士TSP的TGP12型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[7-8]，以及近年來(lái)重慶大學(xué)也研發(fā)了類(lèi)似TSP的TeTSP型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[9]。上述多種主動(dòng)源地震波反射法的成套技術(shù)及裝備主要還是針對(duì)非瓦斯(天然氣)隧道的地震波反射法，若被直接用于煤礦井下掘進(jìn)巷道或瓦斯隧道，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)存在一定的安全隱患，而在高瓦斯隧道或煤與瓦斯突出隧道的安全應(yīng)用難以保障。

在21世紀(jì)初，針對(duì)煤礦井下的瓦斯探測(cè)環(huán)境，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研制了類(lèi)似瑞士TSP的DTC-150防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀[10]，并在煤礦井下巷道掘進(jìn)工作面超前探測(cè)工作中得到了較為廣泛的應(yīng)用。上述所有儀器設(shè)備，除DTC-150防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀外，均屬于非防爆產(chǎn)品，無(wú)防爆合格證和產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(shū)，按相關(guān)安全技術(shù)要求是不能在煤礦井下或瓦斯隧道內(nèi)使用的。但是近年來(lái)隨著高速公路和高速鐵路在全國(guó)大量建設(shè)，遇到的瓦斯隧道，尤其是高瓦斯隧道也越來(lái)越多，由瓦斯引起的隧道內(nèi)瓦斯燃燒或爆炸安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，各類(lèi)瓦斯災(zāi)害也越來(lái)越嚴(yán)重；另外，在實(shí)施非瓦斯隧道和瓦斯隧道的放炮激發(fā)震源的地震探測(cè)時(shí)，由于放炮作業(yè)不規(guī)范、炮孔封孔不正確引起的炮工受重傷、炮孔內(nèi)火藥爆炸的噴出物引燃對(duì)面的電纜或指示牌等事件時(shí)有發(fā)生，其相關(guān)的安全工作也備受?chē)?guó)家重視和社會(huì)關(guān)注。故提高目前瓦斯隧道地震波反射法的安全應(yīng)用水平是刻不容緩的。

鑒于在瓦斯隧道或高瓦斯隧道實(shí)施放炮激發(fā)震源的地震波反射法存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，通常情況下首先排除需要打孔放炮的地震波反射法[11]，只能采用不會(huì)激發(fā)火花等火源的其他物探方法，所以針對(duì)瓦斯或高瓦斯隧道地震波反射法的研究工作也甚少，截至目前在國(guó)內(nèi)外僅查詢(xún)到2017年高樹(shù)全發(fā)表的《高瓦斯隧道穿越煤系地層段TSP法超前探測(cè)》[12]中，和相關(guān)的鐵路與公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范、施工安全技術(shù)規(guī)范、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程中涉及到了非防爆儀器設(shè)備在瓦斯隧道使用時(shí)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)限制與加強(qiáng)通風(fēng)、輔助鉆爆安全作業(yè)、什么情況下應(yīng)采用防爆儀器設(shè)備等問(wèn)題[13-15]。本文基于當(dāng)前地震波反射法在瓦斯隧道的應(yīng)用現(xiàn)狀，從防爆地震儀及檢波器氣囊耦合裝置研制等方面進(jìn)行深入研究，并以重慶渝北至四川廣安高速公路華鎣山隧道為例，進(jìn)行應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)分享。

1 新型防爆地震儀的研制

與目前國(guó)內(nèi)外的其他非防爆地震儀相比，新型防爆地震儀的主要優(yōu)勢(shì)在于它的采集通道有36道之多、具有防爆性、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、采用氣囊耦合方式等。

1.1 36道防爆地震儀主機(jī)研制

1.1.1 主機(jī)與主板設(shè)計(jì)

36道防爆地震儀主機(jī)是對(duì)原來(lái)的12道DTC-150防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀[10,16]的升級(jí)，其主機(jī)結(jié)構(gòu)主要由310主板、檢波器信號(hào)調(diào)理板、信號(hào)盒、本安電源和檢波器組成。其主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖如圖1所示。

(a) 主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

(b) 主機(jī)實(shí)物圖

Fig. 1 Structured diagram and photo of 36 channels explosion proof seismograph mainframe

36道防爆地震儀采用310主板，其具有豐富的功能，功耗低，可靠性高，采用Wince嵌入式操作系統(tǒng)。310主板采用溫度范圍-40～85 ℃的416 MHz工業(yè)級(jí)嵌入式微處理器，該微處理器為移動(dòng)計(jì)算設(shè)備提供了工業(yè)級(jí)的MIPS/mW性能，是一個(gè)高度集成的片上系統(tǒng)(SoP)。主板硬件系統(tǒng)主要由PXA270、CompactFlash和SDRAM核心模塊、RTL8019以太網(wǎng)絡(luò)控制器、電池、SRam構(gòu)成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、系統(tǒng)接口模塊組成，如圖2所示。

圖2 310主板硬件系統(tǒng)組成示意圖

Fig. 2 Sketch of hardware system composition of 310 motherboard

1.1.2 主機(jī)本安電源研制

36道防爆地震儀屬于便攜式儀器，電源采用鎳氫電池供電。由于儀器內(nèi)部電源有+5、+12 V電壓等級(jí)，并考慮到為了盡量避免電源引入的噪聲影響測(cè)量精度，故采用了多組鎳氫電池組供電，并設(shè)計(jì)成一種允許在甲烷、粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中使用的礦用本質(zhì)安全型電源，其具有雙重過(guò)流、雙重過(guò)壓保護(hù)功能，電源噪聲低、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，電源設(shè)計(jì)完成后，還進(jìn)行了電源性能測(cè)試、環(huán)境溫度測(cè)試、防爆性能測(cè)試。

1.1.3 主機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)

36道防爆地震儀的遠(yuǎn)程遙控控制系統(tǒng)采用G.SHDSL(single-pair high-speed digital subscriber line)技術(shù)，其由防爆計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程控制器A、遠(yuǎn)程控制器B、36道防爆地震儀等組成(見(jiàn)圖3)。該控制系統(tǒng)可以在煤礦井下或瓦斯隧道內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離無(wú)人遙控?cái)?shù)據(jù)采集，故可減少因?qū)嵤┟旱V井下或隧道地震探測(cè)工作引起的安全生產(chǎn)事故。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 檢波器氣囊耦合裝置研制

地震波反射法的檢波器與圍巖通常采用特制鋼管與錨固劑耦合，然后再將檢波器推入鋼管底部，這樣的耦合方式存在現(xiàn)場(chǎng)操作相對(duì)較繁瑣、耗時(shí)、耗材成本較高等缺點(diǎn)。

檢波器的氣囊耦合裝置是基于速度或加速度檢波器改造加工而成，其采用的高精度三分量地震檢波器一般選購(gòu)瑞士奇石樂(lè)儀器公司生產(chǎn)的加速度檢波器，并將其固定置于氣囊內(nèi)，其實(shí)物外觀如圖4所示。檢波器氣囊耦合裝置由打氣筒、卡條、檢波器、皮管、氣囊等組成。數(shù)據(jù)采集完成后，卸掉氣囊內(nèi)的氣，便可以取出重復(fù)使用，且無(wú)耗材、成本低、輕便易于攜帶。缺點(diǎn)是在將氣囊置入接收孔內(nèi)時(shí)，檢波器各分量方向不易控制。

圖4 檢波器氣囊耦合裝置實(shí)物圖

2 應(yīng)用實(shí)例

以采用新型防爆地震儀(DTC150/36礦用地質(zhì)超前探測(cè)儀)于2014年11月19日在渝北至廣安高速公路華鎣山隧道(屬于突出隧道)進(jìn)口右線掌子面K24+314處的探測(cè)成果為例，進(jìn)行應(yīng)用效果分析說(shuō)明。

圖5(a)示出TSP傳統(tǒng)的鋼管錨固劑耦合方式，圖5(b)示出本文介紹的檢波器與圍巖之間采用氣囊的耦合方式。經(jīng)在渝廣高速公路華鎣山隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目上的6次36道防爆地震儀及檢波器氣囊耦合的試驗(yàn)應(yīng)用證明： 圖5(b)示出的氣囊耦合方式現(xiàn)場(chǎng)施作時(shí)間僅需要約2 min；而圖5(a)示出的傳統(tǒng)鋼管錨固劑耦合現(xiàn)場(chǎng)施作時(shí)，錨固劑浸泡、錨固劑灌入接收孔內(nèi)、鋼管插入灌注錨固劑的接收孔內(nèi)及鋼管位置調(diào)整、擊打鋼管至接收孔底、用推桿將檢波器推入鋼管內(nèi)底部等環(huán)節(jié)一共需要最少時(shí)間為25 min，而且還受錨固劑凝固時(shí)間參數(shù)影響，若錨固劑錨固效果太好，鋼管不可撥出二次使用，地質(zhì)預(yù)報(bào)成本大大增加，若錨固劑錨固效果不好，又影響耦合效果，導(dǎo)致采集地震記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。二者對(duì)比可知，氣囊耦合方式有現(xiàn)場(chǎng)施作時(shí)間短、錨固效果好、實(shí)施成本極低、采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高等諸多優(yōu)點(diǎn)；傳統(tǒng)的鋼管錨固劑耦合方式存在現(xiàn)場(chǎng)施作復(fù)雜且時(shí)間長(zhǎng)、需要錨固劑和鋼管等耗材、施作耗材成本一次高達(dá)2 000元人民幣、錨固效果不易控制等缺點(diǎn)。

通過(guò)使用新型防爆地震儀和高精度三分量檢波器氣囊耦合裝置，觀測(cè)系統(tǒng)如圖6所示，與傳統(tǒng)的TSP方法觀測(cè)系統(tǒng)基本一致。現(xiàn)以X分量為例進(jìn)行說(shuō)明，X方向的縱波地震原始記錄如圖7(a)所示。由圖7(a)分析可知，除第8炮和第24炮為啞炮被剔除外，其余的地震原始記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好，基本無(wú)直流漂移分量存在；再由圖7(b)可知，各炮首波連線與圖6設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)的炮檢距幾何關(guān)系高度吻合，其縱波反射波較明顯，同相軸也較連續(xù)。

(a) 鋼管錨固劑耦合

(b) 氣囊耦合

圖6 地震波反射法觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7(b)示出的地震數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、炮能量均衡、Q評(píng)估以及波場(chǎng)分離、速度分析、深度偏移、反射界面提取等一系列處理后可得反射界面成果，如圖8所示。由圖8可知，掌子面正前方0～40 m內(nèi)P波、SH波、SV波的反射界面均較少或無(wú)；掌子面正前方40～55 m內(nèi)P波、SH波、SV波的反射界面均有，但不密集；掌子面正前方55～95 m僅存在SH波、SV波的極少反射界面；掌子面正前方95～100 m存在SH波、SV波的反射界面，但較密集。

綜上物探解譯分析可得，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍K24+314～+414內(nèi)： 1)K24+314～+354巖體構(gòu)造不發(fā)育，層理、節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整性較好，推測(cè)在里程K24+344附近有T3xj5須家河組第5段1號(hào)煤層存在； 2)K24+369～+409段巖體構(gòu)造相對(duì)不發(fā)育，巖石完整性較好，推測(cè)在里程K24+374附近有T3xj5須家河組第5段5號(hào)煤層存在； 3)K24+354～+369段巖體構(gòu)造較發(fā)育，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，該范圍存在砂巖-泥巖分界面；4)K24+409～+414段巖體構(gòu)造較發(fā)育，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，該范圍存在砂巖-泥巖分界面，及軟巖或破碎帶。

(a) X分量縱波原始地震記錄

經(jīng)施工單位掘進(jìn)開(kāi)挖驗(yàn)證： K24+344附近的T3xj5須家河組第5段1號(hào)煤層和K24+374附近的T3xj5須家河組第5段5號(hào)煤層的實(shí)際位置，與圖8標(biāo)注的P波和SV波的反射提取異常界面位置基本吻合。同時(shí)，也說(shuō)明了使用新型防爆地震儀和檢波器氣囊耦合裝置在瓦斯隧道中進(jìn)行地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的有用性。

3 結(jié)論與建議

1)從防爆地震儀研制角度，詳細(xì)闡述了新型防爆地震儀的主機(jī)結(jié)構(gòu)、主板設(shè)計(jì)、本安電源研制、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、檢波器氣囊耦合裝置研制等相關(guān)核心技術(shù)。

圖8P波、SH波、SV波的反射界面

Fig. 8 Reflecting interface of P wave, SH wave and SV wave

2)以新型防爆地震儀和檢波器氣囊耦合裝置在渝廣高速公路華鎣山隧道進(jìn)口右線K24+314掌子面處的試驗(yàn)應(yīng)用為例，展示了該裝備及技術(shù)的良好應(yīng)用地質(zhì)效果。

3)為了保障在瓦斯隧道內(nèi)實(shí)施地震勘探方法的安全性，同時(shí)鑒于礦用防爆地震儀具有的良好防爆性能和檢波器氣囊耦合裝置的優(yōu)越性，建議在瓦斯隧道內(nèi)進(jìn)行地震勘探時(shí)盡量采用相關(guān)防爆地震儀和檢波器氣囊耦合裝置進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集。