基于TRT系统的金属矿山巷道施工超前地质预报：以安徽徐楼铁矿为例

2019-02-15范晓飞岳志朋滕永波田云飞马俊学

中国矿业 2019年2期

范晓飞，陈剑，岳志朋，滕永波，田云飞，马俊学

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；2.山东地矿股份有限公司，山东济南 250013)

地下矿山巷道掘进施工过程中，经常会因为岩体的物理力学特性，以及采掘工程引起地下围岩原始力学平衡状态的改变[1]，而受到诸如突(涌)水、软弱岩层、断层破碎带、岩爆及有害气体等灾害性地质作用影响。若在对巷道前方地质条件判断不明的情况下向前掘进，遇到上述灾害性地质作用时，就可能会引发“淹井”“塌方”等矿井安全事故，造成不可估量的经济损失与人员伤亡[2-3]。为了保证矿山巷道掘进施工的安全进行，需要准确掌握巷道掌子面前方的围岩性质、含水条件、软弱带、破碎带等不良地质条件的具体情况，因此对巷道前方进行超前地质预报是非常必要的。通过超前地质预报，及时准确地查明巷道前方不良地质情况及其出现的位置、规模及性质，有助于为判断巷道围岩类别、提供支护设计参数、优化施工方案和施工技术方面提供指导，并预防突(涌)水、坍塌等灾害事故的发生，保证安全施工[4-7]。

TRT(true reflection tomography)超前地质预报系统工作原理是利用地震波(弹性波)的反射原理，当地震波遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，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、含水性等)、位置及规模[8-9]。地震波从一种低阻抗岩体传播到一种高阻抗岩体时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬岩时，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[10]。

TRT6000超前预报系统利用地震波三维层析成像技术能够准确、全面、直观地预测巷道掌子面前方的工程地质和水文地质条件[11]。本文采用TRT预报系统在徐楼铁矿开展超前预报研究性试验，通过对TRT综合地质预报结果和实际开挖情况的对比检验，获得TRT预报系统在铁矿巷道中的实际使用效果。

1 工程概况及TRT工作布置

1.1 工程概况

徐楼铁矿位于淮北市濉溪县百善镇，隶属于淮北徐楼矿业有限公司。该矿是一处岩浆侵入石灰岩中形成的接触交代型磁铁矿矿床，矿体位于闪长岩与大理岩的接触带或附近大理岩中，埋深在48～385 m之间，地质储量近3 000万t[12]。矿区地表被大面积第四系沉积物所覆盖，地下水主要含水层为第四系沉积层的孔隙潜水和奥陶系灰岩中岩溶裂隙承压水，隔水层为第四系黏土隔水层与闪长岩隔水层。矿区围岩裂隙岩溶含水层联通性好，且与外围地下水水力联系密切，富水性强，属于典型的平原浅埋岩溶大水金属矿山。

自2008年开工以来，由于矿区水文地质条件复杂、矿坑涌水量大，经常受到突(涌)水的困扰，无论是在基建期还是掘矿开采期，都因为地下水防治工作缓慢且困难而严重影响了矿山开采的进度和施工安全。徐楼铁矿一期采矿工程采用了注浆帷幕的方法对地下水进行防治[13]，仅石楼一矿带前期探水注浆工程共钻孔771个，总进尺达34 305 m，总注浆量超过20 000 t，经过近两年的防治水工程的实施，基本实现了封堵矿体25 m范围内的主要含水构造，防治水工程投入巨大。此次试验点为靠近矿体的出矿巷道，地层为奥陶系马家沟组灰岩、大理岩，呈似层状构造，矿体围岩主要为坚硬、半坚硬的层状变质大理岩，岩溶裂隙比较发育。

1.2 TRT工作布置

徐楼铁矿巷道断面呈马蹄型，将震源点位置选在掌子面附近巷道的两侧，传感器位置在掌子面后方12～27 m处巷道的两侧和顶部，具体布置见图1。使用全站仪测量震源点与传感器点的相对坐标，测量误差必须小于10 cm。正确连接设备，建立基站，运行采集程序，进行数据采集工作。现场数据采集完成后，将震源点与传感器点的位置坐标、地震波数据等导入RV3D软件中进行数据处理[14-16]。

×-震源点；●-无线传感器图1 TRT6000 传感器、震源点布置图Fig.1 TRT6000 sensor and focal point layout

2 结果与检验

2.1 综合地质预报结果

根据巷道测定掌子面前方100 m范围内的TRT地震波反射扫描成像三维图和波速图，结合掌子面的地质信息及矿区地质资料，对掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、破碎带、软弱蚀变带以及岩溶等不良地质体的性质、位置、形态和规模等进行解译，得出综合地质预报结果。

2.1.1 -205 m水平巷道综合地质预报结果

1) 0～13 m、25～36 m、68～98 m地质预报结果。地震波反射不明显(图2)，推测该段巷道围岩情况与掌子面处类似(表1)，即矽卡岩矿脉与灰岩(大理岩)混合接触，节理裂隙很发育，岩体完整性差，裂隙水局部发育。

图2 -205 m水平巷道TRT三维成像俯视图Fig.2 TRT 3D imaging overlook map of -205 m level mine roadway

表1 -205 m水平巷道测定掌子面地质素描信息表Table 1 Geological sketch information table of -205 m level mine roadway face

2) 13～18 m地质预报结果。地震波反射一般，推测该段巷道左侧围岩会出现较为坚硬的磁铁矿体，节理裂隙发育，岩体完整性差。

3) 18～25 m地质预报结果。地震波反射较强，反射面较多，以正反射为主，且地震波波速升高(图3)，推测该段巷道以较为坚硬的磁铁矿体为主，围岩完整性较差，节理裂隙局部发育

4) 36～48 m地质预报结果。巷道右侧地震波反射较强，且以负反射为主，推测该段巷道以软硬岩混合接触为主，裂隙非常发育，连续性较好，极可能为赋存地下水的蚀变带，应提前做好排水措施。

5) 48～54 m、60～68 m地质预报结果。地震波反射较强，反射面较多，但反射较为完整，且以正反射为主，地震波波速较高，推测该段巷道围岩以较为坚硬的磁铁矿体为主，完整性逐渐变好。

6) 54～60 m地质预报结果。地震波反射较强，反射面较多，以负反射为主，但反射较为完整，地震波波速较高，推测该段巷道岩体为变质大理岩，完整性较差，节理裂隙发育，含有较小体积的破碎带。

2.1.2 -217 m水平巷道综合地质预报结果

1) 0～30 m地质预报结果。地震波反射不明显(图4)，地震波波速与背景值基本相同(图5)，推测该段巷道围岩情况与掌子面处类似(表2)，即岩体岩性为变质大理岩，呈层状构造，岩体结构完整性较差，节理、裂隙很发育。

2) 30～48 m地质预报结果。地震波反射较强，其中30～40 m范围以负反射为主，且地震波波速低于背景值，推测该段岩体结构完整性较差，节理、裂隙很发育；40～48 m范围以正反射为主，地震波波速高于背景值，且逐渐增大，推测该段为矽卡岩矿体与大理岩接触带，以矽卡岩矿体为主，岩体结构完整性较差，多发育蚀变带、软弱带。

3) 48～66 m地质预报结果。地震波反射较弱，局部位置反射不明显，地震波波速高于背景值，且逐渐增大，推测该段巷道开始出现较为坚硬的磁铁矿体，会出现多处矿体与大理岩接触带，岩体完整性和稳定性较差，蚀变带、软弱带多发育。

4) 66～72 m地质预报结果。地震波反射较强，主要为负反射，地震波波速逐渐增高，且比背景值大，推测该段以坚硬的磁铁矿体为主，节理裂隙、蚀变带、软弱带多发育，可能存在地下水导水通道。

5) 72～85 m地质预报结果。地震波反射不明显，地震波波速比背景值大，推测该段以较坚硬的磁铁矿体为主，岩体结构完整性、稳定性较好，节理裂隙少发育。

图3 -205 m水平巷道TRT波速图Fig.3 TRT wave velocity map of -205 m level mine roadway

图4 -217 m水平巷道TRT三维成像俯视图Fig.4 TRT 3D imaging overlook map of -217 m level mine roadway

图5 -217 m水平巷道TRT波速图Fig.5 TRT wave velocity map of -217 m level mine roadway

2.2 综合地质预报检验

-205 m水平及-217 m水平巷道实际施工情况见表3。

表2 -217 m水平巷道测定掌子面地质素描信息表Table 2 Geological sketch information table of -217 m level mine roadway face

表3 实际施工情况表Table 3 Actual construction table

可以看出，将巷道掌子面前方100 m范围的TRT综合地质预报结果与实际开挖情况进行详细对比检验，得出准确预报范围和距离，再将准确预报的总距离除以开挖验证的总距离，最后获得该水平巷道的综合地质预报准确率，详见表4和表5。经过分析，TRT系统综合地质预报结果与实际情况吻合度较高，两水平巷道预报准确率分别为70.0%和68.2%。