王忠杰，張 峰，孫 浩

（中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

在井下巷道開挖過程中，經(jīng)常會遇到復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，尤其是經(jīng)過礦井水富集區(qū)，斷裂破碎帶，巖溶地區(qū)以及節(jié)理密集發(fā)育地段。若礦山巷道開挖前未對井下地質(zhì)條件進行深入勘探，在施工時極容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。為了防止礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探明井下地質(zhì)狀況，準(zhǔn)確分析預(yù)測開挖巷道范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，井下水文情況等地質(zhì)信息，為礦山巷道工程變更設(shè)計和施工決策提供地質(zhì)依據(jù)，從而避免可能發(fā)生的礦山巷道地質(zhì)災(zāi)害，保證礦山巷道施工的安全性[1]。超前地質(zhì)預(yù)報根據(jù)施工距離遠近分為近期預(yù)報、中期預(yù)報和長期預(yù)報，其相應(yīng)的測試手段和儀器也各有不同。近期預(yù)報主要肉眼觀察超前鉆孔，中期預(yù)報主要用電磁波探測法、地質(zhì)雷達法，TRT超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，長期預(yù)報主要用地震法，也是當(dāng)前礦山巷道在中長期超前地質(zhì)預(yù)報方法，包括TSP、TRT、TST、負視速度等各種預(yù)報方法[2]。多種預(yù)報方法如果配合使用會得到更好的預(yù)報效果。

自從各種先進的巷道超前地質(zhì)預(yù)報儀器從國外引進以來，我國工程技術(shù)人員已經(jīng)做了很多工程實踐，取得了可觀的經(jīng)濟效益。邵良杉，周玉等結(jié)合圓梁山巷道可能引發(fā)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(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上，將TSP系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果和超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報結(jié)果進行對比，證明TSP預(yù)報系統(tǒng)的優(yōu)越性和適用性。岳中文，范皓宇等在現(xiàn)有巷道超前地質(zhì)預(yù)報方法的基礎(chǔ)上，引進了一種新的超前地質(zhì)預(yù)報方法——瞬變電磁法，該法在進行井下水體不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報靈敏度高，有效性高。

本文在簡單介紹了TRT超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的原理，結(jié)合礦山巷道工程地質(zhì)條件以及在施工中發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場，利用現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和TRT超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的調(diào)查結(jié)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(wěn)定性，驗證了TRT超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的有效性。

1 TRT地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

TRT（Tunnel Reflection Tomography）技術(shù)全稱為礦山巷道反射層析掃描成像超前預(yù)報技術(shù)，它代表了國際上礦山巷道超前地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域最先進的水平。在20世紀(jì)60年代誕生于美國，在2006年初被引進入國內(nèi)，目前在美國、歐洲、奧地利、日本等發(fā)達國家應(yīng)用較多，得到了廣泛的好評。該方法與其他地質(zhì)探測方法的本質(zhì)是一樣的，即彈性波反射成像[5]。當(dāng)震源如電磁波發(fā)生器、錘擊等發(fā)射的彈性波傳播至聲學(xué)阻抗差異界面時（如節(jié)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(zhì)成像及全息巖土成像技術(shù)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(guī)模。正常入射至聲學(xué)阻抗差異界面時的反射系數(shù)可以通過如下數(shù)學(xué)計算公式獲得：

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

圖1 TRT6000探測原理示意

TRT超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)點在于采用三維數(shù)據(jù)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(qū)段進行識別解譯；TRT還能夠?qū)崿F(xiàn)利用有效便捷的無線傳輸技術(shù)進行地震數(shù)據(jù)采集，而且TRT可由人為控制錘擊激發(fā)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(fù)使用，TRT技術(shù)是井下巷道地質(zhì)預(yù)報的發(fā)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(qū)域以武當(dāng)群片巖為主，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有較高的構(gòu)造應(yīng)力，且在巷道開挖過程中圍巖質(zhì)量變化快，在以石英片巖為主的區(qū)段圍巖質(zhì)量較好，以絹云母片巖為主的區(qū)段則圍巖質(zhì)量較低。

圖2 通省礦山巷道塌方現(xiàn)場

圖3 通省礦山巷道涌水現(xiàn)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(xiàn)環(huán)向裂縫、型鋼拱架剪斷、左右兩側(cè)拱腳處拱架受力往里移動等現(xiàn)象，變形持續(xù)加?。?014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(cè)拱腰均已侵入二襯凈空，ZK114+399～ZK114+447段亦受坍塌影響而導(dǎo)致初期支護拱頂縱向裂縫加大[6]。在當(dāng)天22點20分左右，坍塌碎碴底部出現(xiàn)突水并持續(xù)擴大，上導(dǎo)積水量很快達到30cm，兩側(cè)下導(dǎo)坑被積水填滿，由于突水持續(xù)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(jīng)現(xiàn)場測定涌水量約136m3/h。

礦山巷道的施工方及時地對地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場進行了清理，未造成人員傷亡，僅損壞了一些機械設(shè)備。為了避免再次發(fā)生塌方或者涌水以保證施工安全，經(jīng)業(yè)主和專家組討論決定對掌子面前方采用國際上最領(lǐng)先的TRT技術(shù)進行長距離超前地質(zhì)預(yù)報，以為下一步施工決策提供詳細的地質(zhì)資料。

3 巷道內(nèi)工作流程

TRT在礦山巷道內(nèi)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(chǎn)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(zhì)預(yù)報現(xiàn)場

4 預(yù)報結(jié)果分析

本次施工地質(zhì)預(yù)報主要采用TRT6000方法探測，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查進行，探測范圍為ZK114+377～ZK114+247，長127m。根據(jù)TRT探測成果圖件（見圖1、圖2），結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，綜合推斷ZK114+377～ZK114+250段圍巖地質(zhì)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(jié)理裂隙密集發(fā)育，多為構(gòu)造節(jié)理，節(jié)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(yīng)加大支護級別，時刻注意地質(zhì)條件變化并防止局部的結(jié)構(gòu)面切割引起的掉塊現(xiàn)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(jié)理裂隙不發(fā)育，無明顯異?，F(xiàn)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(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理傾向與前方節(jié)理方向比較一致，推測圍巖質(zhì)量一般。

基于對預(yù)報結(jié)果的分析，為了能順利通過該段破碎帶，經(jīng)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(zhì)情況與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果基本吻合，證實了TRT地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語

（1）TRT地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)簡單有效，比其他傳統(tǒng)的預(yù)報系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 巷道圍巖異常圖

（2）由于正確的使用了TRT超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，并在爆破開挖后證實了基于TRT超前地質(zhì)預(yù)報的正確性，避免了因施工不當(dāng)引起地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，取得了比較好的經(jīng)濟效益。

（3）應(yīng)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(yīng)加大對地質(zhì)預(yù)報的重視程度，并結(jié)合多種調(diào)查手段保證預(yù)報的正確性。