TRT及钻探综合地质超前预报技术在某矿山的应用

TRT及钻探综合地质超前预报技术在某矿山的应用
孙天学;郝进喜;牛军新;文孝贵
【摘要】阐述了TRT(Tunnel Reflection Tomography)地质超前预报技术的工作原理及技术特点,介绍了TRT地质超前预报技术的探测方法.通过TRT及钻探相结合的综合地质超前预报技术在某矿山的应用,总结了TRT图像的地球物理特征及相应的钻探布孔原则,摸索出了适合该矿山的综合地质超前预报技术.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2013(010)001
【总页数】4页(P123-126)
【关键词】综合地质;超前预报;地球物理特征
【作者】孙天学;郝进喜;牛军新;文孝贵
【作者单位】五矿集团邯邢矿业有限公司,河北邯郸056002;五矿集团邯邢矿业有限公司,河北邯郸056002;五矿集团邯邢矿业有限公司,河北邯郸056002;五矿集团邯邢矿业有限公司,河北邯郸056002
【正文语种】中文
【中图分类】P631.4
1 引言
随着我国经济的发展，对矿山资源的开采步伐也在加快。

但是许多老矿山经历了多年开采，资源日趋紧张，探采深部资源迫在眉睫。

由于深部地质条件相对复杂，矿
山在探采深部资源的同时，也面临着严峻的安全问题，比如突水、冒顶等。

为了防止安全事故的发生，TRT（Tunnel Reflection Tomography）地质超前预报技术被引用到了矿山［1，2］。

目前，TRT地质超前预报技术主要被应用在公路隧道的施工中，在预报溶洞、断
层破碎带、复杂地层条件等方面取得了许多成功的实例，得到了业内人士的认可［3，4］。

在矿山应用方面，特别是在预报不良地质体的赋存位置、规模及形态、不明采空区的赋存位置、含水情况等方面，要选用多种手段进行综合预报。

在预报方法选取时应以长期短期、物探常规相结合为原则［5］，使各种方法相互补充验证提高探测效率和精度［6］。

本文以在某矿山的应用为工程实例，依据综合地质预报方法选取原则，采用TRT及钻探相结合的地质超前预报技术，取得了良好的
成效。

2 TRT工作原理及特点
2.1 TRT地质超前预报技术工作原理
TRT系统的工作原理就是基于地震波（弹性波）的反射原理，当弹性波遇到声学
阻抗差异（即岩石波阻抗，为岩石密度和纵波波速的乘积）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，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。

正常入射到边界的反射系数计算公式为：
式中：R 为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V1、V2为地震波在岩层中的传播
速度。

地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。

因此，当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是一致的。

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，反射波就越明显，越容易被探测到［7］。

2.2 TRT地质超前预报技术特点
1）操作简便，成本低。

传感器和地震波采集、处理器之间采用无线连接，大大简化了装备；使用锤击作为震源，可重复利用，不需要耗材。

2）采集信息全面、直观。

采用三维数据处理，实现了三维空间观测，可以清楚直观的反映地质体异常情况，能更有效地对反射异常区域进行识别与解释。

3 TRT技术的探测方法
3.1 仪器设备
专用笔记本电脑、基站、带触发器的锤子、传感器、无线模块及配套设备、测量仪器等。

图1 TRT6000震源及传感器布置Fig.1 Schematic diagram of seismic source and sensor layout of TRT6000
3.2 探测方法
TRT地质超前预报技术的探测方法可简要概括为：一点激发，多点接收，然后多次重复该过程在不同的位置激发地震波，得到多组地震波传播数据。

操作人员运用专业运算程序对其进行数据处理，得到三维空间分布的反射能量图像。

具体探测方法：
1）震源点及传感器的布置。

震源点一般布设在靠近掌子面巷道的两帮上，震源点及传感器在巷道的布置（图1），要求最高与最低位置传感器的差值必须大于2.5m。

2）无线传输模块的安装。

操作人员安装传感器及无线传输模块；测量人员测量震源点与传感器点绝对坐标（大地坐标）或者相对坐标，精度一般要求精确到10cm 内。

3）建立基站，连接电脑，初始化采集程序，进行数据采集。

对设备正确连接后，
打开计算机，运行采集程序，开始工作。

原则要求每个传感器及无线传输模块都运行正常才开展预报工作
4）震源激发。

TRT使用重锤锤击指定的震源点激发地震波，同一组锤击的位置不可改变。

锤击触发时必须用力锤击震源点，一次激发成功，才能获得最佳的弹性波传播能量。

5）数据处理。

该操作一般在室内完成，把现场采集到的地震波数据，导入专业数据处理软件，进行数据处理。

4 TRT与钻探成果对比分析
钻探技术是获得地下蕴藏的真实地质资料和直接信息的一种技术。

通过钻探可对所取得的地质和矿产资源参数作出评价（李树德等，2007）。

为了分析TRT地质超前预报技术的精确度，笔者将钻探成果图与TRT探测成果进行对比分析，以验证探测成果的可靠性，从而减少钻探的工程投入，并确保了深部开拓的安全。

4.1 TRT地质超前预报探测成果
矿区正在施工的穿脉，位于矿区稳定水位以下，根据已有资料分析，施工掌子面前方存在民采空区的可能性较大，但具体位置不详。

利用TRT6000型地质超前预报系统进行现场探测，探测成果如图2。

预报距离为80m；探测结论：第一个异常在图中的分布为：中心线右侧5m至右边20m，掌子面前方60～70m，可能为破碎带或节理裂隙带。

第二个异常区域：中心线右侧5m至右边15m，掌子面前方85m，有明显低阻抗含水异常，可能存在采空或巷道。

4.2 TRT与钻探成果验证对比分析
该位置施工4个钻孔，其中有3个钻孔揭露空区。

揭露的岩性主要为闪长岩，次为矽卡岩。

钻孔TSA9揭露的空区（孔深47.65～52.25m）和钻孔TSA10揭露的空区（孔深43.0～47.4m）及钻孔TSA8揭露的空区（孔深51.00～55.80m）具
有明显的倾向和走向（图3），根据剖面推测空区倾向近乎直立，走向北东，走向延长不详，空区内为渣充填，岩性以闪长岩为主，次为矽卡岩（图4）。

对于TRT 探测的第一处异常可能为该空区引起。

对于第二处异常没有进行钻探验证，主要是因为钻孔无法施工到该异常区域。

图2 TRT探测结果示意（俯视）Fig.2 Schematic diagram of the detection results of TRT（Look down）
图3 综合成果对比分析示意Fig.3 Schematic diagram of consolidated results of comparative analysis
图4 穿脉地质剖面示意Fig.4 Schematic diagram of perforating veins geological profile
通过对比分析可以看出，TRT探测成果与钻探成果基本吻合。

5 综合地质超前预报应用成效
5.1 TRT图像特征及钻探布孔原则
笔者经过不断摸索和实践，对不同的地质异常体引起的TRT图像的地球物理特征及相应的钻探布孔方法进行了总结，使综合地质超前预报技术在矿山的应用进一步完善。

5.1.1 断层破碎带
对于TRT探测图像由断层破碎带引起，其图像特征：正负反射层多且杂乱，由于断层及破碎带与两侧岩体存在十分明显的速度差异，因而是较强的波阻抗界面。

钻探布孔一般2个，钻孔方位一般要垂直于断层破碎带的走向，钻孔设计孔深穿过较强的波阻抗界面10～20m，第一个钻孔穿过异常区域的中心位置，第二个钻孔要控制断层破碎带的走向，两个钻孔的孔底距一般不少于20m，同时要保证巷道掘进的超前距不少于20m。

5.1.2 富水岩层
对于TRT探测图像由富水岩层引起，其图像特征：岩体内节理裂隙发育，则反射
带内正负反射层较多，以负反射为主；若岩体内节理裂隙不发育，则反射带内正负发射层较少，以正反射为主。

钻探布孔一般2个，钻孔方位一般要垂直于富水岩层的走向，钻孔设计孔深揭穿
低阻抗连续带的顶板10～20m，第一个钻孔穿过异常区域的中心位置，第二个钻孔要控制富水岩层的走向，两个钻孔的孔底距一般不少于20m，同时要保证巷道
掘进超前距不少于20m。

5.1.3 采空区
无论空区是有充填型还是无充填型，其TRT探测图像的共同特征：以负反射为主，反射带内正负反射相间、正负反射具有一定的连续性。

钻探布孔一般2～3个，钻孔方位一般要垂直于采空区的走向，钻孔设计孔深揭穿正负反射带的顶板10～20m，第一个钻孔穿过异常区域的中心位置，第二和第三个钻孔要控制采空区的形态，设计钻孔的孔底距一般不少于20m，同时要保证巷
道掘进超前距不少于20m。

5.2 综合地质超前预报应用成效
5.2.1 节约了矿山的成本投入
由于矿区需要探测的部位绝大多数位于稳定水位以下，因而矿山坚持“有疑必探、先探后掘”的施工管理原则，以防止安全事故的发生。

如不先进行TRT探测，根
据国家相关规范要求，每个掌子面中长探水孔一般要布置5个孔，利用TRT探测后，前方有异常一般布设2～3个探水孔，没有异常最多布设1个探水孔，这样既节约了矿山的成本投入，同时也缩短了探水所占用的钻探时间。

5.2.2 保证了深部开拓工程的施工安全
TRT及钻探综合地质超前预报技术主要被用于预报不良地质体的赋存位置、规模
及形态、不明采空区的赋存位置、含水情况等。

实践证明，2011年在矿区深部
（稳定水位以下）共进行了30余次TRT探测，设计钻孔40多个，有效地保证了2000多米深部开拓工程安全顺利完成。

6 结语
通过TRT及钻探综合地质超前预报技术在矿山的应用，总结了TRT图像的地球物理特征及相应的钻探布孔原则，摸索出了适合矿山的TRT及钻探综合地质超前预报技术，在矿山的应用取得了良好的成效。

该技术在预报不良地质体的赋存位置、规模及形态、不明采空区的赋存位置、含水情况等方面可以满足矿山实际生产的需要，因而在该矿山具有良好地应用前景。

建议矿山要充分发挥TRT及钻探综合预报的特点，相互取长补短，提高探测效率和精度，同时为减少对施工的干扰，应将此项工作合理纳入施工组织设计中，确保其能按科学的工序完成。

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