TRT地质超前预报技术在矿山中的应用探讨

孙天学，陈遵义，郝进喜，郭振华

（五矿邯邢矿业有限公司，河北邯郸056002）

我国经济的发展也加快了对矿山资源的开采步伐.但是由于许多老矿山经过多年开采，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，如突水、冒顶等.为了防止安全事故的发生，TRT（True 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应用于公路隧道的施工中，在预报溶洞、断层破碎带、复杂地层条件等方面也有许多成功的实例，得到了业内人士的认可［3］.在矿山应用方面，如何利用好TRT地质超前预报技术，使其在预报不良地质体、不明采空区等方面发挥重要作用，这是值得探讨的问题.

1 TRT地质超前预报工作原理及特点

1.1 TRT地质超前预报技术工作原理

TRT系统的工作原理基于地震波（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，另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如下：

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.

1.2 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，可以清楚直观地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.

2 TRT地质超前预报技术的探测方法

2.1 仪器设备

专用便携式计算机、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.

2.2 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.具体探测方法如下.

（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（见图1）要求最高与最低位置传感器的差值必须大于2.5 m.

（2）无线传输模块的安装

图1 TRT6000震源及传感器布置图Fig.1 Schematic diagram of the seismic source and sensor layout of TRT6000

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10 cm内.

（3）建立基站，连接计算机，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.

3 TRT与钻探成果验证对比分析

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［4］.为了分析TRT地质超前预报技术的精确度，笔者将钻探成果与TRT探测成果进行对比分析，以验证探测成果的可靠性.

3.1 TRT地质超前预报不明采空区

矿区施工的某沿脉巷，巷道围岩岩性为闪长岩，岩石裂隙不发育，顶板岩体的稳定性较好.

（1）TRT探测成果

利用TRT6000型地质超前预报系统进行探测.探测结果（图2）：前方存在两处低阻区，岩体较为破碎，裂隙水可能较为发育.0～35 m处，左侧岩体张性裂隙较发育，岩体较为破碎；50～57 m处左侧标高-6～-20 m存在明显低阻区，相对掌子面高-35～-15 m.推测第一处异常为闪长岩裂隙含水带.第二处异常为采空区或采矿工程（斜井）.

图2 TRT探测结果示意图（侧视）Fig.2 Schematic diagram of the detection results of TRT（side view）

（2）TRT与钻探成果验证对比分析

巷道继续掘进20 m后在掌子面施工验证孔3个（图3），依次编号为TSA1、TSA2和TSA3，总工程量为197.89 m.钻孔及巷道揭露岩性主要为闪长岩，岩体较完整，3个钻孔均未出水.

图3 综合成果对比分析示意图Fig.3 Schematic diagram of comparative analysis

施工的3个钻孔，共揭露岩层破碎段5个，钻孔TSA1（孔深58.00～70.00 m）和TSA2（孔深 50.22～60.75 m）控制的破碎带具有明显的走向.TSA2揭露的夕卡岩（孔深65.20～72.34 m）强度极低，推测走向与闪长岩破碎带走向基本一致.施工的3个钻孔均未揭露不明民采空区和采矿工程（斜井）.

综上所述，TRT探测成果与钻探成果存在较大差异.

3.2 TRT地质超前预报不良地质体

矿区施工的某沿脉巷，巷道围岩岩性为闪长岩，岩石裂隙发育，顶板股状淋水.

（1）TRT探测成果

利用TRT6000型地质超前预报系统进行探测.探测结果（图4）：从传感器到震源点处左下角岩体较为破碎，震源点前方0～57 m岩体较为破碎.其中39～55 m处及标高-98～-115 m处低阻抗较为明显.推测-100 m水平围岩整体非常破碎，裂隙含水量大；前方39～55 m处低阻异常，可能为含水软弱体.

图4 TRT探测结果示意图（侧视）Fig.4 Schematic diagram of the detection results of TRT（side view）

（2）TRT与钻探成果验证对比分析

本位置共施工验证孔3个（图5），依次编号为TS03、TS04和TS05，总工程量为243.0 m.钻孔揭露岩性均为闪长岩，岩层较破碎，出水量最大的钻孔为TS05，终孔实测涌水量Q=14.84 m3/h，水压P=0.1 MPa.其他钻孔涌水量和水压均较小.

图5 综合成果对比分析示意图Fig.5 Schematic diagram of comparative analysis

本位置施工的3个钻孔，共揭露岩层破碎段7个.根据钻孔揭露岩层的完整性，把闪长岩分为3段：第一段为岩层相对较完整段，该段出水较小；第二段为岩层破碎段，岩层稳定性差，含有一定量的裂隙水；第三段为岩层蚀变段，岩层稳定性极差.

通过对比分析可以看出，对于第二段岩层和第三段岩层TRT6000型地质超前预报系统推测成果没有反映.

4 TRT预报失败原因分析及建议

4.1 TRT预报失败原因分析

（1）TRT预报不明空区失败原因

从综合成果对比分析图（图3）上可以看出，现场测试的巷道腰线呈弧线，即：巷道腰线（从掌子面后退算起）的直线距离小于27 m，也就是说震源和检波器不全在同一条直线上.根据地震反射波基本理论可知，只有在波阻抗不相等的条件下，地震波才会发生反射，其差别越大，反射波能量越强.只有当检波器与反射界面成垂直夹角时，反射波更易被接收且接收的反射波振幅能量最大，在实际操作中也只有当检波器与震源呈直线布置时效果最佳，也就要求巷道腰线（从掌子面后退算起）要有一定的直线距离.由于震源和检波器呈弧线布置，锤击产生的地震反射波并不是直接被检波器接收，而反射波要再经巷道围岩界面的多次反射才能被接收，这就增加了地震波在地层中能量的损耗，从而削弱了反射波振幅能量，影响了采集数据的质量，导致预报的偏差较大.

（2）TRT预报不良地质体失败原因

根据钻孔揭露岩层的完整性，把闪长岩分为3段：第一段为岩层相对较完整段；第二段为岩层破碎段；第三段为岩层蚀变段.根据地震反射波基本理论可知，反射波的振幅与反射界面的反射系数有关，当入射波振幅一定时，反射波振幅与反射系数成正比，而反射系数与反射界面两侧的密度和速度的乘积（波阻抗）与入射角度有关.由于这3段岩层的波阻抗（即密度和速度的乘积）是呈递减的，代入TRT地质超前预报技术工作原理公式可知，反射系数R为负值，因而反射波在3段岩层中振幅能呈依次递减，地震反射波信号越来越弱，而检波器接收的信号更多为其他干扰信号（如面波、声波等），影响了采集数据的质量，从而导致在探测区域范围内，探测成果与钻探实际揭露存在较大偏差.

4.2 消除部分预报失败原因后的探测成果

矿区某穿脉，利用TRT6000型地质超前预报系统在掌子面进行现场探测，巷道腰线（从掌子面后退算起）的直线距离为30 m，最小偏移距为10 m，炮间距（即震源的排距）为2 m，震源为5 kg的大锤，探测成果如下.

预报距离为80 m.探测发现2个异常区.第一个异常在图中的分布为：中心线右侧5 m至右边20 m，掌子面前方60～70 m，可能为破碎带或节理裂隙带.第二个异常区域：中心线右侧5 m至右边15 m，掌子面前方85 m，有明显低阻抗含水异常，可能存在采空或巷道（图 6）.

图6 TRT探测结果示意图（正视）Fig.6 Schematic diagram of the detection results of TRT（front view）

利用钻探对TRT探测成果进行验证.该位置施工4个钻孔（图7），其中有3个钻孔揭露空区.揭露的岩性主要为闪长岩，次为夕卡岩.钻孔TSA9（孔深47.65～52.25 m）、TSA10（孔深 43.0～47.4 m）及 TSA8（孔深51.00～55.80 m）揭露的空区具有明显的倾向和走向.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，次为夕卡岩.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7 综合成果对比分析示意图Fig.7 Schematic diagram of comparative analysis

通过对比分析可以看出，TRT探测成果与钻探成果基本吻合.

4.3 建议

（1）对于场地的探测条件，尽量满足巷道腰线（从掌子面后退算起）至少要有27 m（即炮检距2 m+最小偏移距10 m+检波器排距5 m×3排）的直线距离，以保证采集数据的质量.

（2）TRT预报的距离一般情况下为80 m，但对于巷道前方岩体较破碎且硬度较低的情况，影响地震波的传播速度，信号且有明显的衰减，TRT预报的距离要酌情减少.为了保证工程的施工安全，建议设计适量钻孔，对探测异常区进行钻探验证.

（3）在利用TRT进行探测时，要综合考虑各探测参数（震源、最小偏移距、炮间距）.根据在矿山进行的应用试验研究结果，建议激发震源的锤子重量5～6 kg为宜，震源点布设在坚实、完整的岩壁上.最小偏移距在10.0～20.0 m之间为宜.炮间距（即震源的排距）在 2 m 左右为宜［5］.

5 结语

TRT地质超前预报是众多预报方法中的的一种，其具有操作简便，成本低，采集信息全面、直观等特点，越来越受到人们的关注.实践证明，2011年在矿区深部（稳定水位以下）共进行了30多次TRT探测，设计验证孔40多个，有效地保证了2000 m以下深部开拓工程安全顺利完成.因而，TRT地质超前预报技术在矿山的应用具有良好的前景.

［1］杨果林，杨立伟.隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究［J］.地下空间与工程学报, 2006（4）: 627—630.

［2］陈刚毅.TRT 地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用［J］.资源环境与工程, 2009（3）: 304—307.

［3］宋先海，顾汉明，等.我国隧道地质超前预报技术述评［J］.地球物理学进展, 2006（2）: 605—613.

［4］李树德，柯福奎，洪长久.气举反循环钻探技术在复杂地层应用中的探讨［J］.煤炭技术, 2007（11）: 137—138.

［5］王云海，马海涛，等.西石门铁矿深部开拓工程民采空区突水危害地质超前预报技术研究［R］.北京：中国安全生产科学研究院, 2011（11）: 33—119.