深部岩层不良地质构造地震层析成像技术研究①

曹平，欧可，宁果果，韩东亚

(中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

随着经济建设的快速发展，我国对矿产资源的需求也与日俱增，而浅层资源日益减少，资源开采逐渐向深部转移，深部与浅部开采的工程环境迥异，当工作面前方存在不良地质构造，并与地下涌水、硬岩岩爆等同时凸显时，稍有不慎，就会造成塌方、沉陷、突泥、涌水、人员和设备伤害等工程事故［1－3］，进而给矿山开采带来重大灾难和严重的经济损失，因此开展隧道地质灾害超前探测预报，不仅能及时调整施工进度和支护参数，还可避免险情的发生，这对减少施工盲目性、确保工程安全生产有着重要意义［4－6］。国内外专家学者围绕隧道超前地质预报进行了诸多探索，相继开展了直流电法、地质调查法、超前钻探法、陆地声纳法、隧道地质超前预报系统(TSP)、地震层析成像技术(TRT)等研究工作［7－10］。前苏联学者将直流电法用于煤矿探测，解决了矿压和巷道变形监测等多种开采难题［11］。美国NSA研发了TRT6000地震层析成像技术，并于2006年被引进中国。我国在仪器开发、理论研究等方面也取得了诸多突破和进展。王梦恕［12］根据多年的工程实践经验，总结出隧道超前预报“洞内外结合，以洞内为主，长短结合，以短为主”的方法。李术才等［13］提出了“三结合”原则，深化了综合超前地质预报技术的研究。牛泽林等［14］提出以地质雷达探测为手段，从实际衬砌厚度入手，应用概率统计知识对运营中的黄土隧道衬砌结构可靠性进行评价。实践证明，隧道地质超前预报通过采用物探和钻探相结合，提前掌握了开挖面前方地质构造，有利于隧道信息化施工［15－17］。但是以上研究主要针对的是山岭隧道，对于地质条件更为复杂的深部矿山巷道是否也适用TRT6000地震层析成像技术并无相关研究，本文介绍TRT6000地震层析成像技术在中铝公司铝土矿运输巷道以及金川公司镍矿978探矿道的工程应用，通过工程地质超前探测、信息反馈和修正设计等过程，对地下水、采空区等不良地质构造进行定性和定量的预报，为巷道的支护方案设计提供充分的技术支持。

1 TRT6000超前探测试验

关于TRT6000测点布置与数据采集的方法在文献［18－19］有详细介绍，这里主要对运用TRT6000的检测理论、识图方法等进行解释。TRT(True Reflection Tomography)6000基于地震层析成像技术(STT)，属于地球物理探测方法之一，这项技术始于上世纪80年代末，其原理在于当地震波遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，因其具有效、率高、无损检测、不影响正常施工等特点而被广泛应用于地球内部构造成像、石油勘探等领域。在岩质隧道中的探测距离为100～150 m，在软弱土层和破碎岩体中的探测距离为60～90 m，正常入射到边界的反射系数计算公式如下:

式中:R为地震波在界面的反射系数;ρ1为第1层介质的密度;ρ2为第2层介质的密度;V1为地震波在第1层介质中的传播速度;V2为地震波在第2层介质中的传播速度。只有在Z1≠Z2时，地震波在介质分界面处才发生反射现象，当地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数为正;反之，反射系数为负。地震波从软性地质体传播到硬质地质体时，回波的偏转极性和波源一致，当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转，反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波越容易被探测到，结合层析扫描成像技术，通过分析多点复合的地震波波速和传播时间等参数叠加，就能形成详细、直观的三维立体图(见图1)。

图1 TRT6000探测原理示意图Fig.1 Principle of TRT6000 exploration

2 TRT6000超前探测工程应用分析

2.1 中铝公司段村－雷沟铝土矿工程地质概况

中铝公司段村－雷沟铝土矿资源储量丰富，矿区前期民采规模较大，各矿井相互串通，形成了采空区，老窿积水严重，矿区复杂的水文地质条件和地下采空区对铝土矿层的安全开采构成较大威胁，现有条件不能保证井巷施工和矿山开采的安全。巷道施工至断层破碎带后，地质条件复杂，掌子面附近岩体岩性以炭质泥岩、砂质泥岩及弱胶结的粉砂岩为主，岩体裂隙特别发育并呈松散状态，同时裂隙水带走了节理间的填充物，使得页岩的黏结力大大降低，以致巷道开挖后突泥，严重影响巷道施工进度，目前矿区采用的探测方式为传统的水平孔超前钻，其结果虽然比较真实客观，但9个深度为20 m的钻孔施工量大、费用高，因此，通过超前探测快速掌握前方岩体的详细地质情况，对矿区施工有重要意义。超前探测系统试验研究试验一地点选取段村7号进风井420中段脉外运输巷道掘进开挖的掌子面，该处巷道相对目前矿区已揭露岩体属于最差类型，通过超前探测了解掌子面前方未揭露岩体的详细岩层分布情况，为巷道支护方案选取提供详细的地质依据。

2.2 TRT6000超前探测结果分析

通过上传并评估不同监测点的地震波数据，在Src标签窗口中填入适当的速度值评估波速，反演计算获得最佳的地震波平均波速，由图2可知，围岩纵波的平均速度Vp为3400 m/s，围岩横波的平均速度Vs为1900 m/s，再建立超前地质探测的地震波速度模型，分析结果超前地质预报三维全景如图2(b)，(c)和(d)所示。图中左侧拱圈所示部分为已开拓巷道，其中锤击点位、传感器点位如图所示，锤击点位第1个拱圈所示为巷道掌子面，图中每个方格表示地层距离10 m，TRT6000层析成像图中，不良地质体即反射界面为相对于巷道掌子面围岩情况而定，因此在地质探测成果解释中，暗色区域或者离散点应视为相对于掌子面围岩的软弱岩层，浅色为完整岩体，若暗色区域连通则可能为裂隙、解理发育地点，裂隙发育的地方含水也多，若面积较大则可能为断层或溶洞，探测结果与当地的地质资料进行对比后最终可得出结论。通过分析图2(b)，(c)，(d)和(e)，综合工程地质超前预报信息反馈、修正设计和研究过程，得出以下结论:该处掌子面前方0～40 m范围内，反射能量很弱，几乎不存在反射体，由此判断该处与掌子面处围岩条件相似，即以铁质、泥质页岩为主，该段范围内未见断层破碎带等富含水系地质体，可知该段涌水量与掌子面持平，围岩局部节理、裂隙稍发育;40～45 m范围内，有少量零星软弱夹层出现，根据矿区内地质资料，判断为夹泥地层，局部放大探测结果，发现零星软弱夹层仅分布在掌子面正前方右侧;45～55 m范围内，围岩仍以铁质、泥质页岩为主;55～85 m探测边界处有大体积破碎带，根据本区域范围内掘进情况及地质状态，此段范围内夹泥的可能性很大，并可能伴有较大规模的地下涌水，大体积软弱破碎带也呈现左右不对称分布，且位于巷道掘进正前方，在巷道掘进左偏19°前方出现较晚，距离约为60 m。

图2 巷道超前地质预报三维立体图Fig.2 Laneway advanced geological prediction of TRT6000(3D)

表1 TRT6000探测成果与巷道开挖结果对比表Table 1 Comparison of TRT6000 results and laneway excavation results

2.3 金川矿区概况

金川公司镍矿978探矿道TRT6000测试工作开展巷道已揭露围岩为白色粒状变晶结构大理岩，岩体块状构造，结构相对完整，工程地质条件良好，无滴水、涌水现象，掌子面处揭露岩体为黑绿色中细粒结构斜长角闪岩，块状构造，节理发育，岩石破碎，蚀变强烈，工程地质条件差;该处巷道埋深近千米，高地应力及断层导致地质构造应力剧增，使得断层区域内斜长角闪岩破碎。常规的支护方式在使用一段时间后失效，巷道冒顶严重，因此有必要开展超前探测试验，掌握地质构造和地应力变化规律，并依据支护理论，针对不同地质条件的岩体，灵活地采用多种支护方式。

2.4 TRT6000超前探测结果分析

根据图3(a)中所示侧视情况可以得到:掌子面前20 m范围内围岩与掌子面揭露围岩破碎形态保持一致，即围岩结构较破碎，节理发育;前方20～30 m范围内，存在许多不规则高能量反射波，且波形以负反射为主，通过对比三维成果图，可见零星破碎更严重的围岩体，分布区域在10 m左右范围内，根据区域内地质条件及上部围岩内分段道揭露地质情况，可以判断此处围岩结构体极有可能是已探明的Fc断层，根据测试结果揭示情况判断，断层内围岩较掌子面围岩更为破碎;掌子面前方32 m处有一厚度约1 m，宽度约2 m的局部岩体较掌子面完整，其位置在侧视角度下为掌子面正前方;前方40～50 m范围内出现较大体积地质体，根据测试结果判断，此范围内岩体较掌子面揭露围岩完整，但围岩完整性情况仍不理想，工程地质条件较差;前方55～80 m(测试区域界限)范围内，有一大体积地质体，根据测试结果判断，该处围岩较掌子面围岩完整;2个地质体中间有5 m左右围岩与掌子面围岩破碎情况相似。根据以上分析结果可以综合判断，掌子面前方围岩整体以破碎状态为主，且Fc断层位置处围岩破碎，Fc断层左侧围岩岩体破碎情况波动不大，呈松散破碎形态，工程地质条件差;Fc断层右侧围岩情况复杂，右侧10 m范围内围岩与掌子面围岩破碎形态相似，右侧10 m以外，围岩条件有所好转，岩体完整性总体较好，局部区域内夹杂较破碎岩体，厚度约5 m。

图3(b)所示为金川二矿区978探矿道超前地质探测结果俯视图。结合图3(a)可以判断:Fc断层右侧厚度1 m，长度2 m的局部完整岩体分布在巷道掘进正前方，并呈现右上厚、左下薄的楔形体形状。

图3(c)所示为Fc断层揭示位置处探测结果三维视角下的局部放大图。根据图3(c)所示细观图可以清晰看到，Fc断层揭露处围岩较掌子面围岩稍破碎，总体上与掌子面围岩破碎形态相似，仅在零星区域内有所表现，因此通过破碎形态来揭露确定Fc断层的位置难度较大，但可以通过地质类型来确定断层具体位置及其厚度。

图3 巷道超前地质预报三维立体图Fig.3 Laneway advanced geological prediction of TRT6000(3D)

通过以上2项深部矿山工程超前探测试验预报结果和后期实际开挖揭露的岩层真实情况对比可知，TRT6000地震层析成像技术对采空区、软弱夹层、裂隙水等不良地质构造非常敏感，对于地下积水空区，也能通过结合相关地质资料推算其规模，探测结果偏差较小，TRT6000和工程地质调查与推断方法相结合，对中短距离巷道不良地质超前地质预报的效果很好，能达到预测的目的，满足设计施工要求。这为巷道安全高效的掘进施工提供了保障。

3 结论

(1)TRT6000地震层析成像技术可广泛适用于断层破碎带、民采空区、裂隙水等具有不良地质条件的岩体，可以多角度、全方位分析岩层地质情况，预报结果准确、直观、全面，仪器轻巧灵活，方便在井下狭小的空间开展超前探测作业，试验表明该技术不仅适用于山岭隧道，对于地质条件更为复杂的深部矿山巷道也能取得精确的探测结果。但由于深部矿山巷道地下水文条件复杂，多发生突水现象，因此在布置离掌子面最近的震源点时，应提前观察前方渗水情况，如突水严重，可适当延长锤击点到掌子面的距离。

(2)TRT6000地震层析成像技术操作步骤简单、勘测距离较长，安装和测试时对施工影响较小，采用锤击作为震源，同TSP超前探测技术使用爆破等激震方式相比，克服了爆炸产生的高能量对周围岩体产生挤压、破坏现象，具有安全度高、费用低、不损害巷道围岩等优点。

(3)同时必须认识到TRT6000地震层析成像技术也存在缺陷，主要包括以下几个方面:产品附带软件的初始波速选择人为误差较大，过滤后结果误差稳定性不强，缺乏系统的成像图后期处理工具，同时，测量过程中受矿山地下巷道爆破施工及其他工程的声波干扰较大，应在矿区非爆破施工期间开展探测工作，同时通过滤波，降低噪音信号比例，提取有效信号，并开发更强大的软件系统，将干扰影响降到最小。由于目前TRT6000地震层析成像技术在矿山推广使用尚未成熟，以至于相关的探测经验相对匮乏，为保证巷道开挖施工的安全，应适当开展多种超前地质探测技术结合的方案研究，如在探测段适当钻超前探测孔或开展其他物探手段，综合比较技术指标，得到最可靠的地质岩层预报，只有多种方法相互弥补、相互验证，采用综合的预报方法，才能取得最佳的预报效果。

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