煤层瓦斯隧道中开展TSP探测工作的研究与探索

智 刚

(中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133)

0 引言

地震波反射法是超前地质预报中应用最早最广泛的地球物理方法[1-2]。瑞士安伯格公司生产的TSP，其作为地球物理方法中相对成熟的超前地质预报手段，在公路、铁路、城市轨道交通及穿江过海隧道中已经得到了广泛应用，在TBM施工的隧道中也已经开始尝试施作[3-4]。但TSP探测在含煤高瓦斯隧道中应用较少，真正采集到合格数据的很少[5]。目前，在煤层瓦斯隧道采用的主要预报方法为地质素描、超前水平钻探和加深炮孔探测[6]，在煤矿系统会采用瞬变电磁仪进行超前探水，但是在铁路瓦斯隧道中用于超前地质预报的物探手段极少，由于煤层瓦斯隧道施作条件的限制，TSP探测也是在近两年技术更新后才开始应用在此类隧道中进行超前探测[7]。笔者主要从含煤瓦斯隧道TSP数据采集和分析两个方面着手，并以成贵铁路高瓦斯隧道地质预报为例，研究讨论如何在煤层瓦斯段提高TSP预报的精准度[8]。

1 开展预报工作的重要性

煤层瓦斯隧道除了要面临含煤地层岩体强度低导致的隧道沉降、变形和坍塌等危害外，还要防止瓦斯等可燃气体导致的突出、燃烧、爆炸、毒性和窒息风险。如果隧道通过范围内存在煤层采空区，会导致隧道沉降、变形和坍塌，有时甚至要穿过煤矿采空区，给铁路工程施工建设及后期运营带来严重的安全隐患及危害。

针对煤层瓦斯隧道的危害，准确预报出煤层发育位置和影响范围，对及时做好揭煤准备，对安全、经济的穿越煤层有重大意义。准确的预报结论可以及时发现异常，判定掌子面前方煤层及采空区的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖方式、设计支护参数和优化施工方案提供依据，并为预防煤层瓦斯地段可能存在的瓦斯突出、涌水、结构沉降等安全隐患及时提供信息参考。

2 煤层与隧道的结构关系及工程特性

煤层瓦斯隧道有着地质条件复杂和风险高的特性。隧道线路选择穿过含煤地层时，应避开富煤区、瓦斯或硫酸根含量较丰富的地段；当不能避开时，应使其通过的长度最短,应尽可能垂直或接近垂直的大角度穿越接触带[9]。因此，常见的煤层瓦斯隧道为直接洞穿煤层的，除了大角度穿越煤层外，还有以下几种发育关系。

2.1 隧道上覆煤层

此发育关系对隧道开挖影响较小，位置关系见图1，但是如果上覆煤层为可采煤层，存在采空区，可能造成老窑水涌入、突泥甚至瓦斯涌出，引起工程灾害。上部采空区和隧道拱顶的距离有安全值标准，具体可参照深埋隧道的垂直松弛压力高度值来确定，如果采空区距离隧道顶部大于30 m，可以不考虑采空区对隧道的影响[10]。

2.2 隧道下伏煤层

隧道下伏煤层的发育关系导致两个主要的工程问题，①煤层瓦斯通过贯通裂隙向隧道上逸，常见的有隧道底板积水冒泡；②煤层距离隧道底板较近时，可能存在采空区，此类采空区易使支护结构变形、偏移、沉降甚至坍方，处理措施复杂，还可能导致运营期间的安全隐患，是采空区对隧道影响最严重的一种形式。位置关系见图2。

2.3 隧道与煤层相交

层状发育的含煤地层一般强度较低，瓦斯富集，且煤层本身的岩体强度并不高，加上煤遇水易软化及煤的破坏性，使得煤层具有软弱夹层及岩体破碎带的特征，其对隧道影响程度的大小，与煤层的强度、厚度及夹角有关。如果隧道通过范围内存在煤层采空区，会导致隧道沉降、变形和坍塌，甚至要穿过煤矿采空区，给铁路工程施工建设及后期运营带来了严重的安全隐患及危害。

图1 隧道上覆煤层示意图Fig.1 Diagram of overlying coal seams of the tunnel

图2 隧道下伏煤层示意图Fig.2 Diagram of underlie coal seams of the tunnel

图3 隧道与煤层相交示意图Fig.3 Diagram of tunnel intersecting with coal seams

与隧道相交的除层状发育的煤层外还有鸡窝状的煤层，此类煤层发育没有规律，可能多个聚集在一起也可能串珠状发育，或者零星分布。

3 煤层瓦斯隧道的TSP数据采集

3.1 施工条件对雷管和炸药造成的局限性

TSP的数据采集需要用雷管激发炸药，但是煤层瓦斯隧道对于雷管和炸药的管理和使用有着严苛的标准和限制性。在瓦斯地段，必须使用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管及煤矿许用炸药。由于受各种条件限制和区域管控因素影响，很多项目瓦斯隧道工点无法提供或使用瞬发电雷管，在这种情况下，原有采用常规瞬发电雷管的TSP数据采集系统已经不能完全满足现场条件。

图4 PVC管对炮孔临时支护Fig.4 Temporary support of PVC pipes for holes

图5 新型断路触发器(WBT)Fig.5 Wire break trigger box

3.2 炮孔成孔率及优化措施

煤层瓦斯段TSP炮孔成孔率非常低，这种地层不仅要求施钻人员按照要求快速、平直的打好炮孔，还要求后续的装药要及时完成。根据成贵铁路高瓦斯隧道TSP施做总结的两点优化措施：①在打好炮孔和装药的空窗期，用比孔径稍细的PVC管插入孔中起到支撑保护的作用，这项工作的开展对支护炮孔效果较好，但是需要和现场人员积极沟通，并且现场负责人有很好的执行力；②预报人员提前达现场，施工单位再安排3～5名钻工同时打孔，软岩地层钻孔速度也较为理想，毎钻好一孔就立即测量参数并装药做采集准备工作，避免塌孔，这种护孔采集方式行之有效，但占用施工作业面的时间更久。

3.3 新型断路触发器(WBT)的使用

由于瓦斯隧道对雷管炸药的限制性，原本用于TSP采集的瞬发电雷管不可使用，现场的施工队伍只可以提供延时雷管，原有的TSP数据采集系统中的传统断路触发器已无法满足采集要求，负责TSP研发生产的瑞士安伯格公司，根据现场反馈和采集数据开发了第一代可用于延时雷管的新型触发器(WBT)，见图5。

3.3.1 WBT原理

WBT与传统触发器工作原理不同，其连接方式也和传统的触发器有本质区别，但它的工作方法仍支持 TSP 系统的测量，采用WBT连接的TSP采系统见图6。其原理在于触发记录单元开始记录的时间是雷管把连接WBT的断路导线炸断的瞬间，而不是起爆器起爆的时间，因此便可得到更高的触发精度，尤其适用于使用毫秒雷管起爆触发震源的作业面。这种采集方式对雷管和断路导线的连接要求比较高，如图7所示，在雷管前半部分用胶带把打上线圈的断路导线粘牢，避免在装药过程中移位或者脱落。而且要用绝缘胶布将断路导线脚线缠绕粘牢，采集时所使用的断路导线一定要能和雷管起爆线在颜色上分开，防止接错线导致雷管哑炮而引起安全事故。

图6 采用WBT连接的TSP采集系统Fig.6 TSP acquisition system connecting with WBT

图7 WBT回路导线和雷管的连接方式Fig.7 Connection type of WBT return conductor and detonator

图8 使用传统触发器接收毫秒管起爆地震波图Fig.8 Millisecond detonator seismograms receiving by traditional trigger

图9 使用WBT接收毫秒管起爆地震波图Fig.9 Millisecond detonator seismograms receiving by WBT

3.3.2 延时雷管直接采集与WBT采集的区别

同一段位的毫秒雷管延时并不一致，而是在一个幅值内随机触发，由于毫秒延期雷管的发爆时间误差过长，这对数据分析过程的初至拾取非常不利，其初至时间没有规律(图8)。采用WBT采集的效果有本质的改善(图9)，虽然有个别炮点出现不同程度的延时或提前触发接收信号，但总体上直达波初至时间与距接收器距离符合速度值的线性关系。

3.3.3 WBT使用分析

同样的药量，采用WBT进行采集，能量均比传统触发器接受的能量弱，所以在煤层瓦斯隧道进行装药时，药量要适当增加。WBT在使用过程中会偶然存在一些问题，比如延时或提前触发接收器。根据现场经验，分析出以下可能的原因：

1)断路导线绑定在雷管上的位置不同或导线在雷管插入炸药的过程中脱落，导致断路导线在雷管起爆时的受力不同，造成断路导线在雷管起爆时被炸断的先后时间不同。

2)炸药和雷管的起爆有时间差，造成了断路导线被炸断的时间早于炸药起爆的时间。

3)偶然因素造成炸药虽然起爆，但是断路导线延迟断路或者仪器自身的小概率故障事件。

3.4 炮孔封孔

图10 水封和不封的地震波图对比图Fig.10 Comparative seismograms map of water seal and not seal

因为煤层瓦斯隧道的炮孔岩体破碎，裂隙发育，部分炮孔还可能有瓦斯聚集，而且为了保证炮孔内的炸药能量激发，所以在封孔时应采用水封、水泡泥或炮泥封孔，以保证采集效果[11]。图10是未封孔和水封的地震波形图，从图10中可以明显看出未水封的前9炮能力损失严重，采集数据无法满足分析要求[12]。

4 煤层瓦斯隧道的TSP数据分析

根据成贵铁路高瓦斯隧道TSP探测的经验，对煤层瓦斯隧道的TSP数据进行分析研究(数据设置、带通滤波、初至拾取、拾取处理及双接收器)。

4.1 数据设置

数据设置中重要的是数据长度和归零两个步骤。数据长度按照公式(1)计算得到，数据长度短将会切掉有效波，太长则干扰多[13]。一般归零设置过大将会截去有效波，根据经验可以取0.125，也可比0.125稍大。

数据长度=2×2.5×探测距/纵波速度Vp(1)

4.2 带通滤波

带通滤波中的频谱曲线应该符合左右不对称的正态分布的趋势。如果炮孔和接收孔都布置在软质岩层里，主要频率基本集中在最大到1 000 Hz左右的区间内。若是炮孔和接收孔布置在硬质岩层里，主要频率的分部区间可能会大一些，如图11所示。值得注意的是，有些采集效果不太理想的数据，在较高频段频谱很粗糙，频谱线条犹如很多尖角的折线段拼接而成，这是由于较高频段干扰波较多，遇到这种情况，选择这一段频率地震波可能即有有效波，又有干扰波，要根据情况注意取舍，如图12所示，左侧为较低频段圆滑的频谱曲线，右侧为高频棱角粗糙的频谱曲线。

图11 硬质岩层带通滤波频谱图Fig.11 Hard rock band pass filter spectrum

图12 较低频段和较高频段频谱图Fig.12 Low frequency and high frequency spectrum

4.3 初至拾取

识别直达波以最快的速度到达接收器的时间点，初至拾取的另一个目的就是计算出直达波的速度。由于开挖扰动带的存在，每一道波都有不同的初至时间，应屏蔽掉不需要的初至，使得截距时间接近“0”。接收器和炮孔并不在同一水平面，而是具有一定的高差，通过屏蔽就无法使得截距接近“0”，但是这种情况应该保证时距曲线通过较多的起跳点并且选取到合适的速度。在处理这一步的时候，一定要考虑围岩波速(如煤的纵波速度范围0.8 km/s～1.5 km/s)。

初至拾取每一个轴向都要尽量拾取，而且拾取一定要准确，要把拾取界面放大到足够大[14]，在拾取的同时要注意宏观的对比，排除误选的可能。在软弱岩层带通滤波取值范围过小的情况下会使得地震波波长太大，影响拾取，可以适当增大带通滤波的取值范围。使用双接收器时，要注意主副接收器速度一致。

4.4 拾取处理

选择强制校直为线性，选择纵波与横波的速度比(Vp/Vs)约为1.73，可以根据经验或通过分析比较再选择较理想的数值。

4.5 双接收器的对比分析

在数据分析时，有些参数是未知的(如Vp/Vs)，要逐步通过改变参数大小来比较，并确定合适的参数。在理想状态下主、副接收器确定的数据成果应该是一致的，可以通过改变参数使主、副接收器的数据成果达到一致，来确定未知参数的大小。一定要结合实际情况，不能为了只求主副接收器成果数据的一致性，而忽略数据成果与实际情况的对比。

5 工程实例

利用总结采集方法和分析手段，对成贵铁路两条煤层瓦斯隧道进行TSP探测。其中一条是极高风险且具有瓦斯突出风险的玉京山隧道，进行TSP探测的段落内基岩岩性为二叠系龙潭组灰岩、泥灰岩夹煤层，TSP最终成果图13所示，根据成果图和已揭示段围岩的对比，得出的 TSP预报结论为DK279+047～+090段岩体较破碎～破碎，节理裂隙发育，其中DK279+065～+090段存在软弱夹层，含水；DK279+090～+167 段岩体破碎，节理裂隙发育，岩质较软，地下水较发育。

图13 玉京山隧道TSP探测成果图Fig.13 TSP detection results of Yujing hill tunnel

图14 玉京山隧道钻探剖面图Fig.14 Profile map of Yujing hill tunnel drilling

根据TSP的探测资料，对掌子面进行有针对性的钻孔设计，设计为5孔，钻孔参数经参建四方一同会商确定，钻孔成果剖面图如图14所示，钻探结论为DK279+069～+099段主要为灰岩，岩体较破碎～破碎，节理裂隙发育，地下水较发育，其中DK279 +071处下台阶底板附近左边墙开始发育一条0.1 m厚的煤层；DK279 +084处下台阶底板附近左边墙开始发育一条0.25 m厚的煤层；两条煤层较薄，赋存不稳定；孔口瓦斯最高浓度为0.8%。

实际开挖揭示煤层与钻探和TSP探测预报的软弱夹层位置相符，如图13中所标识的一致。所以在较硬岩和硬岩地层中发育煤层，TSP探测结论若存在软弱夹层，可以结合设计资料推断为具备煤层发育条件段落，进一步进行超前钻探探测，确定不良地层的确切性质，保证施工安全。

另一条进行TSP探测的高瓦斯隧道，探测段落内基岩岩性为二叠系龙潭组泥岩、炭质页岩、铝土岩夹煤层，此段在设计上处于隧道软岩大变形段。根据TSP探测结果，可以推断两个段落的软质岩体(图15)，但无法确定煤层发育的位置和范围。根据TSP探测结果对两个软岩段落进行超前钻探，共进行了11个孔的钻探，最长水平钻进深度85 m，其中有6孔揭示同一煤层，利用钻探成果进行计算，煤层真厚约为27 cm，煤层薄，且煤层处在软岩地层中，这就暴露了TSP在软岩地层中对煤层探测的局限性。

实际开挖揭示此段地层为炭质页岩、铝土岩夹煤层，岩质软。TSP结论对围岩的判别并没有问题，但是在软岩和较软岩地层中发育煤层，TSP探测对煤层发育位置及范围没有准确的指导建议。

图15 软岩段TSP探测成果图Fig.15 TSP detection results of soft rock section

6 结论与建议

1)采集。在煤层瓦斯隧道的TSP采集工作，要保证采集环境的安全，保证隧道内持续稳定的通风，使洞内瓦斯浓度稳定且小于0.75%(或0.5%)；因掌子面附近瓦斯易于聚集，第一个炮孔孔位距离掌子面应保留一定的距离。其次应保证炮孔成孔质量，采用合适的下倾角度；炮孔钻探完成后用PVC管优化成孔率，防止塌孔；加强炮孔水炮泥封孔质量。如施工方提供的是毫秒延时雷管，还应使用断路触发器(WBT)等新型设备来保证数据采集的质量合格。

2)数据分析。进行数据分析时，重点对比数据设置、带通滤波、初至拾取、拾取处理及双接收器。结合现场地质条件选取合适的参数，分析过程中通过改变参数使主、副接收器的数据成果达到一致，来确定未知参数大小，分析出多种不同成果图，开挖后对比反演，利用样本大数据总结经验。在采集和分析过程中对发现的问题汇总统计，定性定量地分析原因，解决问题。

当煤层走向和隧道呈大角度交角，且煤层厚度具有可被探测的规模时，TSP法低速异常区可宏观判释煤层分布；在软质岩煤系地层围岩中，横波在煤层段的波速变化相对P波较为敏感。煤层段落围岩地震波波速(特别是横波)降低和持续的泊松比增高特征，是隧道煤层分布及媒层瓦斯富集有意义的参考，再结合勘察资料和其他预报手段综合分析[15]。

3)TSP探测的局限性。由于煤层的发育不规律性、煤层薄层状发育、水平煤层的发育，这都给TSP探测带来了局限性。所以煤层瓦斯隧道应采用综合预报方法，以TSP为主进行长距离探测，再根据TSP探测资料、地质素描和设计文件有针对性地进行钻孔设计，综合判定煤层位置和瓦斯突出可能性，并在开挖过程中对瓦斯浓度做好实时监控。