TRT与地质雷达在马坑铁矿中的超前探测应用研究

李欣洋, 吴超凡

(1.福州大学 紫金地质与矿业学院,福建 福州 350108;2.龙岩学院 资源工程学院,福建 龙岩 364012)

0 引 言

随着社会经济的快速发展,我国对各类金属的需求逐渐加大,经过近几十年的开采,地下开采已成为矿山发展的方向。[1]马坑铁矿属于典型顶板岩溶水直接充水的大水矿床,矿区内断裂构造和岩溶发育,矿体埋藏深度大,涌水量大,矿区水文地质条件十分复杂[2-4],这使得单一物探手段难以精准解析巷道前地质构造的详细情况。因此,为了避免超前探测的多解性影响探测结果,本文采用TRT-6000和地质雷达两种手段相结合的综合物探方法,对马坑铁矿掘进巷道前方进行超前探测,两种手段相互对比、论证,提高探测精度,为实际工程提供可靠的地质构造情况,保障现场施工的顺利进行、施工人员的生命安全和财产安全。

1 综合物探预报方法原理

1.1 TRT-6000检测原理

作为一种较为新颖的物探技术,TRT-6000超前地质预报系统的原理主要是借鉴电子信号学中的电阻抗概念[5],利用介质的波阻抗(介质密度与波速的乘积)差异来进行预报工作:当地震波遭遇波阻抗存在差异的界面时,会发生反射与透射现象,一部分地震波信号从界面反射回去,另一部分继续向下透射进入下一层介质。波阻抗的变化通常与地质岩层面或岩体界面不连续有关。通过分析高灵敏度传感器所接收的来自掌子面前方的地震波反射信号,可以对巷道掘进掌子面前方的异常地质体(如断层破碎带、富水带、软弱带等)的位置深度和规模大小做出预报工作。正常入射到边界的反射系数计算如公式(1)所示:

(1)

式中:R为地震波反射系数;V1、V2为地震波在不同岩性介质中的传播速度。

由式(1)可知,当上下层介质的波阻抗存在差异的时候,地震波将在上下层介质的分界面上产生反射回波,故严格来说,速度差异界面不一定会发生反射回波,波阻抗差异界面才是介质的反射界面。由上式可知,若介质2的波阻抗大于介质1(即介质2为高阻抗物质,介质1为低阻抗介质),反射系数为正值;反之,反射系数为负值。因此,由上式我们可得出:当介质1的岩性十分破碎,接近空气时,上式中的ρ1V1无限趋近于0,则可计算出R无限趋近于1,即发生地震波全反射现象,地震波能量无法穿透介质2;反之,当介质2的岩性十分破碎、接近空气时,上式中的ρ2V2无限趋近于0,R则无限趋近于-1,此刻地震波发生全透射现象,地震波没有能量返回。

TRT系统通过布置在掘进巷道两帮侧壁和拱顶等部位的多个高灵敏加速度传感器接收震源激发的弹性地震波信号,并对采集到的信号进行数据处理和解译工作,最终得到物探成果。TRT系统的传感器采集数据原理如图1所示。

图1 TRT-6000超前探测原理图

1.2 地质雷达检测原理

地质雷达的频率介于106至109Hz,与地震波类物探手段相比,其优势是自身电磁波具有高频率的特性,因此相较于地震波类物探手段具有较高的分辨率。其原理是利用介质的电性差异,使得地质雷达在传播过程中遇到不同电性的地质体会发生反射,通过分析回波信号的波形和强度等特征参数来判断前方目标体的几何形态和位置,在巷道迎头前方0～30 m范围内探测构造、精度较高。但是由于频率高,信号衰减快,超前探测距离有限,对工程施工干扰较大等不足也比较明显。[6-8]

对于地质异常体精确探测深度确定,若接收和发射天线间距x与穿透深度X满足x≪X,则雷达对目标体的探测深度计算公式,可由公式(2)来计算得出。

(2)

式中:X为穿透深度,m;V为电磁波在各类介质中的传播速度,m/ns;T为电磁波在各类介质中的双程走时,ns。

1.3 数据解释原则

1.3.1 TRT数据解释原则

TRT-6000超前体制预报系统探测结果主要依托对三维层析扫描图和二维波速的分析和判断,这两种图都是来源于地震波的反射信号。简单来说:通过反演计算所得的三维图由两种颜色(黄和蓝)构成,它们分别代表不同波阻抗的地质体,判断原则为:若出现蓝色区域,则表示该区域波阻抗较低,地震波穿过该区域发生了低阻反射,该区域的围岩较为破碎、完整性较差或存在含水构造;若出现黄色区域,则表示该区域波阻抗较高,地震波穿过该区域发生了高阻反射,该区域的围岩较为坚硬或完整性良好。

1.3.2 地质雷达数据解释原则

地下介质的介电常数差异是地质雷达数据解释的重要依据,而不同地质体的特征电磁波形正是由于介电常数不同所产生的。因此,在对所得数据进行翻译解释时,所依据的方法原则,便是不同异常地质体的特征波形差异,如:

(1) 断层破碎带:破碎带的波形以中低频信号为主,波形杂乱,多呈带状分布等;

(2) 富水带:由于水的介电常数最大(81),且岩层介电常数差异较大,电磁波在富水的介质中传播速度明显降低,因此呈现出均匀的低频信号,信号变低,变化较快,同相轴连续均一,呈层面反射状,振幅强,波形相对较均一,较容易产生多次振荡。[9-12]

2 预报实例

2.1 地质调查

本次超前探测位于龙岩市马坑铁矿矿区18分段85-2探矿巷,在井下巷道现场实地调查中,发现巷道岩性为石英细砂岩,灰白色,砂状结构,块状,碎屑物为石英,硅质胶结为主,次为泥质,碳酸盐化及绿泥石化,具有弱钾化和黄铁矿化,局部裂隙见星点状的辉钼矿化。掌子面掘进前方的前部为透辉石-磁铁矿,颜色为铁黑色,微细粒,为稠密浸染状构造,次为反斑杂状,矿石矿物为磁铁矿,脉石矿物主要为透辉石,呈斑点状及团块状,有少量石榴石、方解石、少量石英、方解石细脉穿插;掘进前方的后部为矽卡岩,以透辉石为主,黄绿色,裂隙为石英细脉充填,下部具若赤铁矿化,沿裂隙见赤铁矿及绿泥石,如图2所示。

图2 巷道地质概况

2.2 TRT超前探测

2.2.1 TRT-6000探测技术现场布置

TRT的震源和检波器采用分布式全空间立体布置方式,具体布置方法如图3所示。

图3 震源和检波器的布置方法

2.2.2 结果分析

通过对现场进行TRT超前探测,进行数据分析解译可得原始波形图(图4)、波速(图5、图6)、三维成像图(图7～图9)。

图4 原始波形图

图5 波速图(掌子面在图中35处)

图7 三维成像图(俯视图)

图8 三维成像图(侧视图)

图9 三维成像图(立体图)

根据以上图像,结合前人总结的矿区地质资料以及现场巷道掌子面地质编录情况,并参照不同地质异常体的地震波特征和TRT图像特征,可得出综合解析结果见表1。

表1 TRT-6000三维图像综合结果汇总表

2.3 地质雷达探测

2.3.1 测线布置方法及系统参数设置

(1) 由于各测点现场掌子面高宽基本一致,因此每个测点按照距离地面1.5 m左右处并且间隔10 cm/道进行地质雷达超前探测,具体测线如图10所示。

图10 地质雷达测线布置图

(2) 地质雷达采集模式采用点测方式,采样点数为512点/道,时窗设置为630 ns,深度范围150 cm,扫描速度为256道/s,介电常数设置为9.0。

通过软件进行数据处理,可得85-2探矿巷波形图如图11所示,共测得41道数据,测深为30 m。

图11 85-2探矿巷地质雷达波形图

根据图11地质雷达波形图像,结合前人总结的矿区地质资料以及现场巷道掌子面地质编录情况,并参照不同地质异常体的雷达波形图像特征,可得出综合分析如下:

掌子面前方0～15 m范围内波形杂乱,2 m、5 m、10 m处附近同相轴错断明显,15 m后能量衰减快较快,推测0～15 m围岩破碎,裂隙发育,结合现场条件,推测前方局部裂隙水发育。15～30 m局部见少量杂波,推测该范围内存在少量节理裂隙。

3 开挖验证对比

通过现场开挖验证,巷道局部节理裂隙发育,有滴水和淋水情况,在距离探测点前方约50 m位置巷道顶板侧有裂隙发育,岩石稳定性差,裂隙联通着静态水溶洞,水质浑浊,含泥沙。

4 结论与展望

(1) 由于马坑铁矿中矿石矿物多为石榴子石磁铁矿,其自带磁性,若是探测前方为矿物采掘巷道,易对地质雷达探测结果造成较大影响,且对于开挖验证中提及的岩溶构造,由于受到探测深度以及掌子面宽度的影响,对于岩溶构造的预报,单靠地质雷达无法对岩溶构造做出有效的预报,因此,只采用一种探测方法进行超前探测,容易造成数据多解性,引起较大误差。结合多种探测手段,综合解析,能够提高精准度,得出较准确的预报结果。

(2) 地质雷达与TRT技术拥有截然不同的优劣势,二者结合,可有效发挥“长短结合,优势互补”,通过现场实际开挖验证,证明这种结合手段对于铁矿巷道中构造和含水等方面有着较好的预报效果,可为类似金属矿山巷道超前地质预报提供一定的参考。

(3) 目前,TRT-6000超前地质预报系统采用的震源是通过锤击来产生地震波,这对于接受传感器的灵敏度有很高的要求,但是传感器的灵敏度与可接收的外界干扰噪声能量成正比,因此如何在提高灵敏度的前提下降低干扰,是目前亟待解决的问题之一。