TRT技术在矿山巷道地质调查中的应用研究

2020-04-20王忠杰

世界有色金属 2020年2期

王忠杰，张峰，孙浩

（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430064）

在井下巷道开挖过程中，经常会遇到复杂的地质环境，尤其是经过矿井水富集区，断裂破碎带，岩溶地区以及节理密集发育地段。若矿山巷道开挖前未对井下地质条件进行深入勘探，在施工时极容易引发地质灾害。为了防止矿山地质灾害的发生，应用超前地质预报技术探明井下地质状况，准确分析预测开挖巷道范围内的地质构造，井下水文情况等地质信息，为矿山巷道工程变更设计和施工决策提供地质依据，从而避免可能发生的矿山巷道地质灾害，保证矿山巷道施工的安全性[1]。超前地质预报根据施工距离远近分为近期预报、中期预报和长期预报，其相应的测试手段和仪器也各有不同。近期预报主要肉眼观察超前钻孔，中期预报主要用电磁波探测法、地质雷达法，TRT超前地质预报系统，长期预报主要用地震法，也是当前矿山巷道在中长期超前地质预报方法，包括TSP、TRT、TST、负视速度等各种预报方法[2]。多种预报方法如果配合使用会得到更好的预报效果。

自从各种先进的巷道超前地质预报仪器从国外引进以来，我国工程技术人员已经做了很多工程实践，取得了可观的经济效益。邵良杉，周玉等结合圆梁山巷道可能引发的岩溶高压涌水以及大变形等问题，在全面介绍TSP超前地质预报系统的工作原理基础上，将TSP系统预报结果和超前地质钻孔预报结果进行对比，证明TSP预报系统的优越性和适用性。岳中文，范皓宇等在现有巷道超前地质预报方法的基础上，引进了一种新的超前地质预报方法——瞬变电磁法，该法在进行井下水体不良地质体超前地质预报灵敏度高，有效性高。

本文在简单介绍了TRT超前地质预报系统的原理，结合矿山巷道工程地质条件以及在施工中发生的地质灾害现场，利用现场地质调查和TRT超前地质预报系统的调查结果，做出正确的巷道支护的施工决策，保证了开挖的顺利进行和围岩的稳定性，验证了TRT超前地质预报系统的有效性。

1 TRT地质预报技术

TRT（Tunnel Reflection Tomography）技术全称为矿山巷道反射层析扫描成像超前预报技术，它代表了国际上矿山巷道超前地质预报领域最先进的水平。在20世纪60年代诞生于美国，在2006年初被引进入国内，目前在美国、欧洲、奥地利、日本等发达国家应用较多，得到了广泛的好评。该方法与其他地质探测方法的本质是一样的，即弹性波反射成像[5]。当震源如电磁波发生器、锤击等发射的弹性波传播至声学阻抗差异界面时（如节理面、断层面、岩溶等），一部分弹性波透射界面进入前方岩体，而一部分弹性波则被反射回来，反射回来的信号被高灵敏度信号接收器接收，通过地质成像及全息岩土成像技术得到矿石三维图像，然后就可以对图像进行分析，即可了解矿山巷道的软弱带、断层破碎带以及含水层的位置和规模。正常入射至声学阻抗差异界面时的反射系数可以通过如下数学计算公式获得：

式中：R——弹性波在界面的反射系数；p1——第一层介质的密度；p2——第二层介质的密度；v1——弹性波在第一层介质中的传播速度；v2——弹性波在第二层介质中的传播速度。

图1 TRT6000探测原理示意

TRT超前地质预报的优点在于采用三维数据处理，能够直观清楚地反映矿体的异常情况，能更有效地对反射异常区段进行识别解译；TRT还能够实现利用有效便捷的无线传输技术进行地震数据采集，而且TRT可由人为控制锤击激发震源，较少了爆炸对巷道围岩的损伤，成本较低，操作简单，可重复使用，TRT技术是井下巷道地质预报的发展的一个方向。

2 矿山巷道施工概况

巷道进口处是一斜坡地带，斜坡坡角度在20°～30°之间，多是灌木植被。左幅里程桩号ZK110+090～ZK116+990，左线长6900m；右幅YK110+084～119+958，长6874m。两轴线间距约48.6m，最大埋深约500m。矿山巷道所在区域以武当群片岩为主，地质构造复杂，具有较高的构造应力，且在巷道开挖过程中围岩质量变化快，在以石英片岩为主的区段围岩质量较好，以绢云母片岩为主的区段则围岩质量较低。

图2 通省矿山巷道塌方现场

图3 通省矿山巷道涌水现场

在巷道左洞开挖至114+377段时围岩变形慢慢加大，初期支护开始出现环向裂缝、型钢拱架剪断、左右两侧拱脚处拱架受力往里移动等现象，变形持续加剧；2014年4月3日18点50分左右，掌子面ZK114+377处突然坍塌，紧接着ZK114+393～ZK114+377段均坍塌，坍塌碎碴将此段施工巷道完全封闭，ZK114+399～ZK114+393段拱架拱顶部分剪切变形且两侧拱腰均已侵入二衬净空，ZK114+399～ZK114+447段亦受坍塌影响而导致初期支护拱顶纵向裂缝加大[6]。在当天22点20分左右，坍塌碎碴底部出现突水并持续扩大，上导积水量很快达到30cm，两侧下导坑被积水填满，由于突水持续扩大且没有下降的迹象，23点50分左右水已侵至仰拱填充面上并很快涨至二衬台车位置，经现场测定涌水量约136m3/h。

矿山巷道的施工方及时地对地质灾害现场进行了清理，未造成人员伤亡，仅损坏了一些机械设备。为了避免再次发生塌方或者涌水以保证施工安全，经业主和专家组讨论决定对掌子面前方采用国际上最领先的TRT技术进行长距离超前地质预报，以为下一步施工决策提供详细的地质资料。

3 巷道内工作流程

TRT在矿山巷道内工作如下图4所示，主要组成部分为重锤、计算机、传感器组件、传感器信号基站。首先计算机与重锤装置是有线连接，通过计算机直接控制重锤下落，可有效减少信号延迟，而后重锤下落产生地震波，分布在矿山巷道各处的传感器接收在围岩中传播的地震波振动信号，并通过信号基站传递给计算机，传感器组件与计算机为无线通信，方便安装传感器，计算机接收到回传的信号后保存以备后期分析[7]。

图4 TRT超前地质预报现场

4 预报结果分析

本次施工地质预报主要采用TRT6000方法探测，并结合现场地质调查进行，探测范围为ZK114+377～ZK114+247，长127m。根据TRT探测成果图件（见图1、图2），结合现场地质调查，综合推断ZK114+377～ZK114+250段围岩地质情况分述如下：

（1）ZK114+377～ZK114+324，长53m，该段落围岩波速变化较大，波速较低，围岩节理裂隙密集发育，多为构造节理，节理倾向与矿山巷道走向近平行，围岩破碎含水，说明该段为一破碎带，围岩级别初步判定为V级，在开挖行进过程中，应加大支护级别，时刻注意地质条件变化并防止局部的结构面切割引起的掉块现象[8]。

（2）ZK114+324～ZK114+294，长30m，该段落围岩波速变化一般，波速较低，节理裂隙不发育，无明显异常现象，围岩级别较高[9]。

（3）ZK114+294～ZK114+247，长47m，该段落围岩波速变化较大，围岩节理裂隙发育，节理倾向与前方节理方向比较一致，推测围岩质量一般。

基于对预报结果的分析，为了能顺利通过该段破碎带，经讨论决定使用30m大管棚注浆超前支护并配合三台阶法施工[10]。在开挖过程中遇到的地质情况与超前地质预报结果基本吻合，证实了TRT地质预报系统的有效性。