基于TRT地震波反射成像的地下铝土矿巷道超前地质预报

田维刚

(中国铝业集团有限公司,北京100082)

地下铝土矿资源开发的安全问题是采矿工作者面临的巨大挑战之一,地质灾害引起的井下安全事故具有多发性和难预测性。目前地下铝土矿井巷道掘进施工中,极少进行专门的超前地质预报工作,通常是依据肉眼观察和经验对前方围岩地质进行粗略判断。

隧道及地下工程开挖前方的探测或地质超前预报技术应用始于早期的地下矿井开挖工程,但由于技术和政策等多方面原因,目前先进的地质超前预报理论和技术大多首先在隧道工程中得以试验和应用[1-4]。随着矿业工程的不断发展,又因其工程条件的特殊性,巷道超前地质预报不可能完全照搬隧道工程的相关技术,因此矿井巷道超前地质预报技术理论和实践应用研究逐渐得到关注。吕兆海等人[5]以羊场湾煤矿为研究与工程实践背景,较深入地构建了井巷超前地质预报的概念和技术方案,提出了井巷超前地质综合预报的思路。梁庆华等[6]对DTC-150井下超前探测仪器进行了理论和应用研究,并依据仪器获得的波速对围岩进行了分类。李术才教授及其课题组[7]研究了基于超前地质预报的煤巷顶板事故支护预案防治方法。

TRT技术系统是由美国NSA公司在本世纪初开发,并很快在欧洲和日本等一些隧道的应用中首先获得成功[8-9],后逐渐被公认为是世界上最先进的超前地质预报系统之一。2008年左右TRT技术以TRT 6000系统[10]的名义开始进入中国后,在三峡翻坝高速公路隧道[11]、新疆吐鲁番-库尔勒二线铁路隧道[12]、牛栏江-滇池导水隧洞[13]等工程中进行了应用,用户评价较高。褚军凯,王云海等人[14-15]在国内首先对TRT技术在金属矿井巷道中的应用实践进行了研究,将TRT技术应用于采空区和破碎围岩的超前探测实践。

国内外关于TRT技术的相关文献报道,大多是仪器系统的简单应用,还比较缺乏对TRT内部数据资料处理等核心理论的深入阐述。对于TRT技术在矿井巷道中的应用报道较少,仅有的文献资料也没有阐明金属矿井巷道有别于隧道工程的使用心得和技术改进。近年,中南大学引进了TRT 6000系统,积极进行其在矿井巷道的应用研究,在裂隙矿岩巷道的理论研究[16]基础上进行了实践探测摸索,笔者曾参与在湖南新龙矿业有限责任公司、广西华锡集团铜坑矿、中州铝业三门峡矿等多个金属地下矿山进行了30余次巷道超前预报测试,积累了一定的工程经验。

1 矿井巷道超前地质预报的难点

巷道超前地质预报有其自身的特点和难点:

一方面,早在2004年交通部公布的《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中已经明确要求,地质条件复杂的隧道,应制定地质预测方案。但对于金属矿井巷道超前地质预报,尚没有严格统一的管理制度和技术规范,企业技术研发和应用的积极性不高。

另一方面,相比隧道工程而言,矿井掘进巷道通常空间更狭窄,巷道岔口多,弯曲多,掌子面前方地质资料匮乏;环境更复杂,凿岩、爆破等采动干扰因素多,巷道周围经常存在隐伏采空区,原生和采动裂隙发育,地下含水层隐蔽性极强;且金属矿井掘进巷道大多无衬砌支护,壁面凸凹不平有浮石,这些不利因素都使得矿井巷道超前地质预报难度更大,尤其不利于地震波反射预报法的弹性波传播和检测。

2 TRT预报原理

2.1 反射原理

TRT技术全称为True Reflection Tomography,即“真正的反射层析成像”。TRT的基本原理是当地震波经震源点激发,在地质体中传播遇到波阻抗(密度和波速的乘积)差异界面时,一部分信号会被反射回来,一部分信号会透射进入前方介质,反射回来的地震波信号被高灵敏信号传感器接收并用于后期软件分析和计算。在自然地质体中,波阻抗的变化通常发生在地震波传播介质均一性发生变化的地段,如断层、破碎带、含水体或采空区等不连续界面处。根据地震波反射原理,反射系数计算公式为:

(1)

式中:R为反射系数;ρ1、ρ2为反射界面前、后岩层的密度,单位kg/m3;V1、V2为地震波在反射界面前、后岩层中的传播速度,单位m/s。

反射系数R是衡量地质体波阻抗差异大小的定量指标,也是软件系统分析处理地质体信息的主要载体和数据成果解译判别的重要依据。

2.2 矿井条件下的空间观测改进方案

TRT 6000系统的观测方式为三维空间观测,最大限度的扩展横向展布,以充分获取波场空间信息,提高预报精度。隧道超前预报工程中传感器和激发震源点标准布设如图1,其中仪器系统技术规程要求震源点和传感器布点横向展布达到2.5 m以上,而隧道工程一般尺寸较大,衬砌后壁面规整,基本都能实现标准布设。

图1 震源点与传感器标准布设示意图

金属地下矿井巷道不仅空间狭窄,而且绝大部分为无衬砌结构的裸巷,几乎不可能实现完全标准布设。本次参与测试施工的一地下矿井巷道掘进断面最宽处只有2.2 m,难以满足测试要求,在查阅了相关理论资料后,科学地设计了如图2的布点变形改进方案,应用中取得了良好效果。同时,由于矿井巷道多弯曲,壁面不平整,也难以实现精确的按变形方案布置,只能按图2确定大致位置,然后选择壁面平整且岩体较完整的区域布设震源点和传感器,最后使用全站仪精确测定震源点和传感器位置的三维坐标。

图2 震源点与传感器布设改进方案图

2.3 信号资料处理

处理资料时,往往由位于椭圆平面中两个相互正交地震检波器的记录来计算偏振椭圆,以及根据它们的最大振幅(Cx和Cy)和相位差(Δβ)来计算。x轴和偏振椭圆主轴之间的夹角δ由表达式(加尔彼林,1989年):

(2)

而椭圆率系数m:

(3)

这样求得的偏振椭圆可用来计算在偏振平面中任何两个相互垂直方向(x,y)之间的相位移,它们的方向与偏振椭圆主轴ξ并不一致(如图3)。相位移β按公式:

图3 偏振椭圆计算原理

(4)

式中:ax、ay为所选方向上偏振椭圆的矢径。

在偏振平面中椭圆的形状和它的去向能从计算的运动矢量值绘制的质点运动轨迹来确定。为了确定矢径的模和它的方向,可以采用与现行偏振震动相同的方向,依在矢径方向量取的模,在偏振平面中绘制椭圆轨迹[17]。

TRT 6000系统采用概率偏移地震波反射层析成像法,以发射点与接收点为焦点,利用位移偏振原理作椭球面,根据无数椭球面叠合的概率成像获得掌子面前方的全息图。

3 工程应用

3.1 工程概况

河南省某铝土矿山保有资源储量大、矿体较连续,具备建成规模性铝土矿供应基地的潜力。该矿区构造裂隙发育情况多变复杂,矿岩稳定性较好,围岩质量较差,矿体走向跨度非常大,矿体厚度不均匀,工程地质条件较差。矿区水文地质条件复杂,地下开采主要影响因素为矿床内寒武-奥陶系灰岩含水层、砂卵石含水层、老窿积水。寒武-奥陶系灰岩含水层具有厚度大、岩溶裂隙发育和富水性较强,含水层具有较丰富的地下水静水储量及动水补给量。铝土矿基建施工期间和矿床开采初期,竖井井筒、井底车场、阶段石门、井下水仓、水泵房及阶段运输平巷等均在该含水层中掘进,可能引发突然涌水淹井。矿区历史上民采规模较大,民采矿井密集,民采老窿众多且积水严重。综合来看,该矿区水文地质条件和开采条件都十分复杂,对铝土矿层的安全开采构成了较大的威胁。

3.2 数据采集与处理

本次巷道超前预报探测试验地点为河南省某铝土矿330中段正在掘进施工的脉外运输平巷。

采集系统共布设12个震源点,每个震源点锤击3次,对36次锤击激发的地震波信号进行采集,并使用全站仪进行震源点和传感器位置三维坐标数据采集。

将TRT地震波数据采集系统采集到的波场信号和全站仪采集到的三维坐标数据录入配套的数据处理软件,按照指定的操作流程,进行分析计算,系统最后输出预报区域的三维层析图像(如图4)。根据三维图像数据,对反射系数R值进行统计分析,得出地震波反射能量分布规律(如图5)。

图4 TRT探测三维层析图像

图5 地震波反射能量分布规律

3.3 数据解译和地质预报

结合矿区工程地质总体情况和现场实际观测分析,根据TRT系统三维层析图像和反射波能量分布图进行数据解译预报见表1。

表1 TRT探测数据解译预报表

3.4 结果验证

因超前预报巷道前方可能存在大范围含水构造,施工方制订了合理的紧急预案,提前开挖了水沟和储水池,并配备了抽水泵。巷道开挖发现,岩体稳固性较好,质地坚硬,局部破碎,但沿线存在多处导水裂隙构造,突水量较大,距掌子面约70～80 m处,岩体存在一处较大尺寸的贯通导水构造,突涌水量最大,达到300 L/min。后经勘察揭露发现,巷道顶板上方约50 m处存在一含水层,联通地表水系,并经由巷道顶板裂隙构造下泄到巷道,水头压力较大。TRT系统虽无法准确预报涌水量大小,但有效预报了含水构造的存在,预报结果较为准确,直接帮助施工方提前布置预案,在出现较大涌水的情况下,整个巷道施工有序进行,未发生安全事故和工程延期。

3.5 问题与建议

1)矿井巷道施工环境恶劣,巷道超前预报工作人员应提前踏勘,通知施工方清理浮石,及时出渣并保证通风照明良好,确保预报测试安全。

2)矿井巷道周边通常存在隐伏采空区、作业采场、民采废弃坑道等,数据解译和地质预报时应充分考虑矿井整体工程布置和采动影响,尽量避免误报。

3)TRT预报系统在长距离预报断裂构造方面具有优势,但在地震波激发区域附近约20 m范围内存在预报盲区,且对含水体的性质和规模预报不够灵敏,建议在工程应用中结合地质雷达等短距离电磁法预报设备使用,可实现相互补充印证,提高预报效率。

4 结 论

1)超前地质探测TRT 6000系统在铝土矿井下巷道掘进中的应用是一项有益的探索,TRT探测操作简单易行,采用层析成像技术得到的三维立体地质探测图直观易懂,预报结果可以指导工程技术人员分析掌握掘进面前方地质岩层情况和制定针对性的施工预案,从而提高施工效率和安全性。

2)针对地下铝土矿巷道空间狭窄和观测受限问题,对TRT系统空间观测方案进行了横向倾斜布置改进,实际探测时还要根据巷道壁面施工条件布设测点,以更好地适应地下矿井的复杂环境下超前地质预报工作需要。

3)TRT超前预报系统在河南省某铝土矿330中段运输平巷工程中较准确地探测到前方裂隙破碎带和导水构造,实际开挖情况与预报结果吻合较好。