田維剛

(中國鋁業(yè)集團有限公司,北京100082)

地下鋁土礦資源開發(fā)的安全問題是采礦工作者面臨的巨大挑戰(zhàn)之一,地質(zhì)災(zāi)害引起的井下安全事故具有多發(fā)性和難預(yù)測性。目前地下鋁土礦井巷道掘進施工中,極少進行專門的超前地質(zhì)預(yù)報工作,通常是依據(jù)肉眼觀察和經(jīng)驗對前方圍巖地質(zhì)進行粗略判斷。

隧道及地下工程開挖前方的探測或地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)應(yīng)用始于早期的地下礦井開挖工程,但由于技術(shù)和政策等多方面原因,目前先進的地質(zhì)超前預(yù)報理論和技術(shù)大多首先在隧道工程中得以試驗和應(yīng)用[1-4]。隨著礦業(yè)工程的不斷發(fā)展,又因其工程條件的特殊性,巷道超前地質(zhì)預(yù)報不可能完全照搬隧道工程的相關(guān)技術(shù),因此礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)理論和實踐應(yīng)用研究逐漸得到關(guān)注。呂兆海等人[5]以羊場灣煤礦為研究與工程實踐背景,較深入地構(gòu)建了井巷超前地質(zhì)預(yù)報的概念和技術(shù)方案,提出了井巷超前地質(zhì)綜合預(yù)報的思路。梁慶華等[6]對DTC-150井下超前探測儀器進行了理論和應(yīng)用研究,并依據(jù)儀器獲得的波速對圍巖進行了分類。李術(shù)才教授及其課題組[7]研究了基于超前地質(zhì)預(yù)報的煤巷頂板事故支護預(yù)案防治方法。

TRT技術(shù)系統(tǒng)是由美國NSA公司在本世紀初開發(fā),并很快在歐洲和日本等一些隧道的應(yīng)用中首先獲得成功[8-9],后逐漸被公認為是世界上最先進的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)之一。2008年左右TRT技術(shù)以TRT 6000系統(tǒng)[10]的名義開始進入中國后,在三峽翻壩高速公路隧道[11]、新疆吐魯番-庫爾勒二線鐵路隧道[12]、牛欄江-滇池導水隧洞[13]等工程中進行了應(yīng)用,用戶評價較高。褚軍凱,王云海等人[14-15]在國內(nèi)首先對TRT技術(shù)在金屬礦井巷道中的應(yīng)用實踐進行了研究,將TRT技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)和破碎圍巖的超前探測實踐。

國內(nèi)外關(guān)于TRT技術(shù)的相關(guān)文獻報道,大多是儀器系統(tǒng)的簡單應(yīng)用,還比較缺乏對TRT內(nèi)部數(shù)據(jù)資料處理等核心理論的深入闡述。對于TRT技術(shù)在礦井巷道中的應(yīng)用報道較少,僅有的文獻資料也沒有闡明金屬礦井巷道有別于隧道工程的使用心得和技術(shù)改進。近年,中南大學引進了TRT 6000系統(tǒng),積極進行其在礦井巷道的應(yīng)用研究,在裂隙礦巖巷道的理論研究[16]基礎(chǔ)上進行了實踐探測摸索,筆者曾參與在湖南新龍礦業(yè)有限責任公司、廣西華錫集團銅坑礦、中州鋁業(yè)三門峽礦等多個金屬地下礦山進行了30余次巷道超前預(yù)報測試,積累了一定的工程經(jīng)驗。

1 礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報的難點

巷道超前地質(zhì)預(yù)報有其自身的特點和難點:

一方面,早在2004年交通部公布的《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70-2004)中已經(jīng)明確要求,地質(zhì)條件復雜的隧道,應(yīng)制定地質(zhì)預(yù)測方案。但對于金屬礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報,尚沒有嚴格統(tǒng)一的管理制度和技術(shù)規(guī)范,企業(yè)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的積極性不高。

另一方面,相比隧道工程而言,礦井掘進巷道通?？臻g更狹窄,巷道岔口多,彎曲多,掌子面前方地質(zhì)資料匱乏;環(huán)境更復雜,鑿巖、爆破等采動干擾因素多,巷道周圍經(jīng)常存在隱伏采空區(qū),原生和采動裂隙發(fā)育,地下含水層隱蔽性極強;且金屬礦井掘進巷道大多無襯砌支護,壁面凸凹不平有浮石,這些不利因素都使得礦井巷道超前地質(zhì)預(yù)報難度更大,尤其不利于地震波反射預(yù)報法的彈性波傳播和檢測。

2 TRT預(yù)報原理

2.1 反射原理

TRT技術(shù)全稱為True Reflection Tomography,即“真正的反射層析成像”。TRT的基本原理是當?shù)卣鸩ń?jīng)震源點激發(fā),在地質(zhì)體中傳播遇到波阻抗(密度和波速的乘積)差異界面時,一部分信號會被反射回來,一部分信號會透射進入前方介質(zhì),反射回來的地震波信號被高靈敏信號傳感器接收并用于后期軟件分析和計算。在自然地質(zhì)體中,波阻抗的變化通常發(fā)生在地震波傳播介質(zhì)均一性發(fā)生變化的地段,如斷層、破碎帶、含水體或采空區(qū)等不連續(xù)界面處。根據(jù)地震波反射原理,反射系數(shù)計算公式為:

(1)

式中:R為反射系數(shù);ρ1、ρ2為反射界面前、后巖層的密度,單位kg/m3;V1、V2為地震波在反射界面前、后巖層中的傳播速度,單位m/s。

反射系數(shù)R是衡量地質(zhì)體波阻抗差異大小的定量指標,也是軟件系統(tǒng)分析處理地質(zhì)體信息的主要載體和數(shù)據(jù)成果解譯判別的重要依據(jù)。

2.2 礦井條件下的空間觀測改進方案

TRT 6000系統(tǒng)的觀測方式為三維空間觀測,最大限度的擴展橫向展布,以充分獲取波場空間信息,提高預(yù)報精度。隧道超前預(yù)報工程中傳感器和激發(fā)震源點標準布設(shè)如圖1,其中儀器系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程要求震源點和傳感器布點橫向展布達到2.5 m以上,而隧道工程一般尺寸較大,襯砌后壁面規(guī)整,基本都能實現(xiàn)標準布設(shè)。

圖1 震源點與傳感器標準布設(shè)示意圖

金屬地下礦井巷道不僅空間狹窄,而且絕大部分為無襯砌結(jié)構(gòu)的裸巷,幾乎不可能實現(xiàn)完全標準布設(shè)。本次參與測試施工的一地下礦井巷道掘進斷面最寬處只有2.2 m,難以滿足測試要求,在查閱了相關(guān)理論資料后,科學地設(shè)計了如圖2的布點變形改進方案,應(yīng)用中取得了良好效果。同時,由于礦井巷道多彎曲,壁面不平整,也難以實現(xiàn)精確的按變形方案布置,只能按圖2確定大致位置,然后選擇壁面平整且?guī)r體較完整的區(qū)域布設(shè)震源點和傳感器,最后使用全站儀精確測定震源點和傳感器位置的三維坐標。

圖2 震源點與傳感器布設(shè)改進方案圖

2.3 信號資料處理

處理資料時,往往由位于橢圓平面中兩個相互正交地震檢波器的記錄來計算偏振橢圓,以及根據(jù)它們的最大振幅(Cx和Cy)和相位差(Δβ)來計算。x軸和偏振橢圓主軸之間的夾角δ由表達式(加爾彼林,1989年):

(2)

而橢圓率系數(shù)m:

(3)

這樣求得的偏振橢圓可用來計算在偏振平面中任何兩個相互垂直方向(x,y)之間的相位移,它們的方向與偏振橢圓主軸ξ并不一致(如圖3)。相位移β按公式:

圖3 偏振橢圓計算原理

(4)

式中:ax、ay為所選方向上偏振橢圓的矢徑。

在偏振平面中橢圓的形狀和它的去向能從計算的運動矢量值繪制的質(zhì)點運動軌跡來確定。為了確定矢徑的模和它的方向,可以采用與現(xiàn)行偏振震動相同的方向,依在矢徑方向量取的模,在偏振平面中繪制橢圓軌跡[17]。

TRT 6000系統(tǒng)采用概率偏移地震波反射層析成像法,以發(fā)射點與接收點為焦點,利用位移偏振原理作橢球面,根據(jù)無數(shù)橢球面疊合的概率成像獲得掌子面前方的全息圖。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

河南省某鋁土礦山保有資源儲量大、礦體較連續(xù),具備建成規(guī)模性鋁土礦供應(yīng)基地的潛力。該礦區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育情況多變復雜,礦巖穩(wěn)定性較好,圍巖質(zhì)量較差,礦體走向跨度非常大,礦體厚度不均勻,工程地質(zhì)條件較差。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜,地下開采主要影響因素為礦床內(nèi)寒武-奧陶系灰?guī)r含水層、砂卵石含水層、老窿積水。寒武-奧陶系灰?guī)r含水層具有厚度大、巖溶裂隙發(fā)育和富水性較強,含水層具有較豐富的地下水靜水儲量及動水補給量。鋁土礦基建施工期間和礦床開采初期,豎井井筒、井底車場、階段石門、井下水倉、水泵房及階段運輸平巷等均在該含水層中掘進,可能引發(fā)突然涌水淹井。礦區(qū)歷史上民采規(guī)模較大,民采礦井密集,民采老窿眾多且積水嚴重。綜合來看,該礦區(qū)水文地質(zhì)條件和開采條件都十分復雜,對鋁土礦層的安全開采構(gòu)成了較大的威脅。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次巷道超前預(yù)報探測試驗地點為河南省某鋁土礦330中段正在掘進施工的脈外運輸平巷。

采集系統(tǒng)共布設(shè)12個震源點,每個震源點錘擊3次,對36次錘擊激發(fā)的地震波信號進行采集,并使用全站儀進行震源點和傳感器位置三維坐標數(shù)據(jù)采集。

將TRT地震波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的波場信號和全站儀采集到的三維坐標數(shù)據(jù)錄入配套的數(shù)據(jù)處理軟件,按照指定的操作流程,進行分析計算,系統(tǒng)最后輸出預(yù)報區(qū)域的三維層析圖像(如圖4)。根據(jù)三維圖像數(shù)據(jù),對反射系數(shù)R值進行統(tǒng)計分析,得出地震波反射能量分布規(guī)律(如圖5)。

圖4 TRT探測三維層析圖像

圖5 地震波反射能量分布規(guī)律

3.3 數(shù)據(jù)解譯和地質(zhì)預(yù)報

結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)總體情況和現(xiàn)場實際觀測分析,根據(jù)TRT系統(tǒng)三維層析圖像和反射波能量分布圖進行數(shù)據(jù)解譯預(yù)報見表1。

表1 TRT探測數(shù)據(jù)解譯預(yù)報表

3.4 結(jié)果驗證

因超前預(yù)報巷道前方可能存在大范圍含水構(gòu)造,施工方制訂了合理的緊急預(yù)案,提前開挖了水溝和儲水池,并配備了抽水泵。巷道開挖發(fā)現(xiàn),巖體穩(wěn)固性較好,質(zhì)地堅硬,局部破碎,但沿線存在多處導水裂隙構(gòu)造,突水量較大,距掌子面約70～80 m處,巖體存在一處較大尺寸的貫通導水構(gòu)造,突涌水量最大,達到300 L/min。后經(jīng)勘察揭露發(fā)現(xiàn),巷道頂板上方約50 m處存在一含水層,聯(lián)通地表水系,并經(jīng)由巷道頂板裂隙構(gòu)造下泄到巷道,水頭壓力較大。TRT系統(tǒng)雖無法準確預(yù)報涌水量大小,但有效預(yù)報了含水構(gòu)造的存在,預(yù)報結(jié)果較為準確,直接幫助施工方提前布置預(yù)案,在出現(xiàn)較大涌水的情況下,整個巷道施工有序進行,未發(fā)生安全事故和工程延期。

3.5 問題與建議

1)礦井巷道施工環(huán)境惡劣,巷道超前預(yù)報工作人員應(yīng)提前踏勘,通知施工方清理浮石,及時出渣并保證通風照明良好,確保預(yù)報測試安全。

2)礦井巷道周邊通常存在隱伏采空區(qū)、作業(yè)采場、民采廢棄坑道等,數(shù)據(jù)解譯和地質(zhì)預(yù)報時應(yīng)充分考慮礦井整體工程布置和采動影響,盡量避免誤報。

3)TRT預(yù)報系統(tǒng)在長距離預(yù)報斷裂構(gòu)造方面具有優(yōu)勢,但在地震波激發(fā)區(qū)域附近約20 m范圍內(nèi)存在預(yù)報盲區(qū),且對含水體的性質(zhì)和規(guī)模預(yù)報不夠靈敏,建議在工程應(yīng)用中結(jié)合地質(zhì)雷達等短距離電磁法預(yù)報設(shè)備使用,可實現(xiàn)相互補充印證,提高預(yù)報效率。

4 結(jié) 論

1)超前地質(zhì)探測TRT 6000系統(tǒng)在鋁土礦井下巷道掘進中的應(yīng)用是一項有益的探索,TRT探測操作簡單易行,采用層析成像技術(shù)得到的三維立體地質(zhì)探測圖直觀易懂,預(yù)報結(jié)果可以指導工程技術(shù)人員分析掌握掘進面前方地質(zhì)巖層情況和制定針對性的施工預(yù)案,從而提高施工效率和安全性。

2)針對地下鋁土礦巷道空間狹窄和觀測受限問題,對TRT系統(tǒng)空間觀測方案進行了橫向傾斜布置改進,實際探測時還要根據(jù)巷道壁面施工條件布設(shè)測點,以更好地適應(yīng)地下礦井的復雜環(huán)境下超前地質(zhì)預(yù)報工作需要。

3)TRT超前預(yù)報系統(tǒng)在河南省某鋁土礦330中段運輸平巷工程中較準確地探測到前方裂隙破碎帶和導水構(gòu)造,實際開挖情況與預(yù)報結(jié)果吻合較好。