TSP技术在矿山井巷掘进及采矿生产中的应用

刘建喜　班林杰　张海涛

摘要：TSP技术在隧道预报中具有无法比拟的地位，如今已经被广泛应用于采矿生产和矿山井巷掘进中。由于TSP技术能及时预报不良地质带，准确提供预报，避免了安全事故发生也降低了工程成本。文章以TSP技术的工作原理为主，浅析了采矿生产和矿山井巷掘进过程中的具体应用。

关键词：TSP技术；矿山井巷掘进；采矿生产；安全事故；超前预报 文献标识码：A

中图分类号：TD26 文章编号：1009-2374（2015）04-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0313

众所周知，采矿生产与矿山井巷掘进经常会受到环境影响和地质影响，出现安全事故隐患。因此，开发地质预报技术势在必行。多年来，国内外对相关技术进行了诸多研究，电磁法、机械钻探法以及远红外线等方法都已经退出历史舞台，地震法逐渐向超前预报过渡。超前预报的主流方式包括以下几种：TST、HSP、TGP、TSP等。在西方国家，TSP已经有了多年的应用历史，并不断改进升级。只有不断加强超前预报的准确性，才能让TSP技术在采矿生产与矿山井巷掘进中发挥最大效能。

1 TSP超前预报工作原理

由于矿山地质环境复杂，在开采施工过程中经常会遇到破碎带、不良地质等方面影响。随着开采力度的不断加大，安全事故也屡屡发生。受到地质环境影响，也增加了开采难度。在施工过程中经常会出现涌水、冒顶等现象，这就需要在掘进过程中增加超前支护措施。其中，安全系数和掘进速度取决于岩石的岩质和地质构造，准确查出实际地质情况并采取有效施工方式尤为重要。但由于不同地质中存在不同岩体特征，这就需要在掘进生产过程中增加地质超前预报。目前超前探测的方法多种多样，但传统方式不能满足现代化生产需求，且费用高速度慢，因此开发超前预报系统势在必行。

图1 TSP超前预报工作原理图

瑞士安博格公司研发的TSP超前预报系统，具有预报距离长、适用范围广以及数据处理简单且无施工干扰等特点，在复杂地质预报中，有较强的应用效果。其利用地震波反射原理，需要人工制造地震震源，并通过接收器和传感器接收并分析处理数据。具体工作原理如图1所示。

通常情况下，采用小剂量炸药进行爆破，通过震波沿着巷道剖面传播方式进行球面传播。当波动遇到岩体阻碍时就会发生折射或反射，反射引号的信息被地震检波器接收记录。同时，由于折射波会一直传播，遇到不同介质过程中会产生不同的折射反应。通过分析反射波或折射波时间曲线，可以计算出断层或岩层的距离和位置。利用TSP配套软件进行数据评估，可以得出需要的数据参数，如泊松比、岩石密度等。TSP还可以发现井下的断层以及含水带和灾害带等地质环境，精确度一定达到了200m。利用TSP预报技术进行采矿生产或矿山开采，能减少意外险情，减少事故隐患，增加可预见性。在预报过程中，TSP技术依据是地震波的回波，当人工进行地震波激发时，会产生一定程度的震源，并通过球形的方式散播。当遇到不良地质时会产生反射波，接收器会及时采集反射波。通过对回拨信号的计算，针对其延迟时间、速度以及强度和波形进行分析，判断地质带的分布和性质。同时，接收点与炮点位于同一平行线上，方便数据收集和整理，在精度上也达到了使用标准，但对断层产状、波速以及位置等方面的判断还有待加强。

2 TSP技术在矿山中的应用路线

传统井巷掘进以钻爆的方式为主，但在施工过程中，钻孔和爆破往往会出现冒顶、涌水以及塌方的事故，严重影响施工人员安全。为了预防发生严重事故，通常以超前支护的方式进行掘进。合理支护的前提是地质预报，因此，采矿生产和施工过程中，都是由经验数据作为支撑参数，没有一定的准确性和针对性。

2.1 前期准备

根据井巷轴线和岩层情况，布置传感器和炮点，对炮孔和传感器参数进行复测，将接收炸药、套管以及雷管安装到位。装好防水炸药后用水填充，并连接记录单元与传感器，其中雷管为瞬发雷管，装药方式为耦合

装药。

2.2 数据采集

经记录单元设置采集参数，连接信号触发器和起爆系统。记录单元测试环境为噪音检测模式，依次激发震源炮点进行信号采集。

2.3 数据处理

将采集到的地震数据，利用TSP软件进行处理，找到S波与P波的分布规律，再利用数据包处理其他流程，详见图2所示。提取数据结果，并模拟地震反射层的2d/3d岩石力学参数和空间分布结构。

图2 TSP win数据处理流程图

2.4 数据破译

作为地质预测的核心，数据破译是通过岩层反射波的传播速度，将反射波向深度或距离信息转换，并通过井巷面距离和井巷轴线确定地质界面的规模和空间。结合S波和P波就能判断出岩体性质，通过对密度值的计算可以算出岩体弹性、泊松比以及岩石密度等信息，根据围岩级别确定工程类别。同时，也能判断围岩稳定性，根据数据随时调整支护类型或修改设计，确定二次衬砌时间。

3 TSP技术在矿山中的应用优势

根据2D分布图以及力学参数，结合地质学知识及勘探原理，能判断围岩性质、围岩位置以及围岩规模。预报即将施工范围内是否会出现突泥、突水等灾害，并针对灾害性质对采矿生产以及施工提出有针对性的建议和措施。同时，TSP还能根据3D视图直观的模拟岩层分布情况，及时预报不良岩层的性质、位置以及空间大小，为判断稳定性和是否存在充水断层提供相应对策。

当处理地震波过程中，勘探原理能对地质性质和规模进行详细分析，其中包括含水情况、岩石代以及断层和裂缝发育带等。在实际应用经验中发现，地质情况较好时，TSP预测精度高达200m。在探测过程中，要掌握暗河、溶洞等不良地质特征，分析TSP效果图上的表现方式，为破译奠定良性基础。同时，在进行矿山地质预报过程中，可以确保持续性井巷挖进，确定施工工艺的同时，根据TSP效果图上的数据，及时调整支护参数，对软弱岩层进行加固，为采矿施工和安全生产提供技术，也为更改技术方案提供便利条件。

4 结语

综上所述，通过预测和预报能减少施工的盲目性，避免在施工过程中出现不良地质灾害，根据现场结果及时调整施工方法，使得施工过程更加科学合理。随着科学技术的不断创新，地质超前预报的精度也越来越高，为矿山安全提供了重要保障。TSP技术一直以其独特的优越性获得众多工程的青睐，作为可靠的地质预测技术，在未来矿产安全生产中，必能成为矿山工程施工的重要组成部分，保障矿山生产施工的安全性。

参考文献

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作者简介：刘建喜（1978-），男，江苏徐州人，山东省济宁市金桥煤矿高级工程师，研究方向：掘进巷道技术。

（责任编辑：秦逊玉）