综合超前探测技术在顶部含水塘和塌陷区矿山开采中的应用

王 雷，何晓武

(1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿，广西 南丹 547205；2.铟锡资源高效利用国家工程试验采矿研究所，广西 南丹 547205)

地下岩体工程复杂多变，在勘探阶段难以完全查明其相关的岩体特征以及可能存在的不良地质体的位置、规模和性质。通过地质超前探测方式，提前发现可能存在的异常地质情况，探明其位置、产状以及水文地质等情况，对井下施工设计和作业有很重要的指导意义。

从1950年代，苏联学者最先在煤矿井下探测中使用直流电法，并成功解决了与矿山安全、生产有关的多种地质问题，同时日本、瑞士、德国和英国也运用相关探测技术探测巷道工作面前方的地质构造[1-3]。直到1990年代，瑞士Amberg公司开发研制的TSP巷道地震预报系统才在瑞士、德国、法国、意大利、奥地利、日本等发达国家的巷道施工中广泛使用，其具有探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强、资料解释快、对施工影响小等优势[4]。在20世纪末美国NSA工程公司研发的TRT 技术较TSP技术有了进一步提升，实现了空间观测，地震偏移成像，且预报长度有了显著提高[5]。另外我国学者赵永贵提出TST方法，通过可视化地震反射层析成像技术预报隧洞掌子面前方150 m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置[6-7]。

目前，国内外用于超前探测的方法很多，主要有红外测温法、直接钻探法、地震波法、瑞利波法、井巷电阻率法和电磁波法等。超前探测技术手段运用呈多样化，但各种方法均各有利弊：如地质雷达探测方法是目前分辨率最高的工程地球物理方法，但其探测距离较短；如TRT技术快捷、精度高且能三维成像，但对含水体效果较差[8-9]。实践表明，单一的一种超前地质预报方法往往具有一定的局限性，不能同时探测、预报与力学性质和含水性质均有关的地质缺陷体。实际工作中，欲取得好的预报效果，还需结合具体情况，将上述多种方法优化组合，综合运用[10-12]。

笔者将结合TRT6000型超前预报系统和pulseEKKO PRO地质雷达系统在铜坑矿应用，探讨在矿区上部存在水库和地表塌陷区等不良地质条件，如何实现在矿山开采过程中通过综合超前探测技术，对隐藏断裂带位置的精准地位，为巷道掘进所会遇到的稳定性和水患问题提供指导作用。

1 综合超前探测技术的工作原理及方法

1.1 TRT地质超前预报工作原理及方法

TRT6000系统分为硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件组成主要有主机、基站、无线模块、传感器、触发器五个部分，如图1所示。软件主要包括地震波采集软件Sawtooth、地震波处理层析成像软件RockVision-Interface和Rock 3D，主要作用分别是接受锤击震源点激发的地震波、建立含巷道掌子面大地坐标的地质三维空间坐标体系以及结合三维空间坐标体系和地震波数据，利用反射波层析图像原理反映掌子面前方的地质岩层情况。

图1 TRT6000型地质超前预报系统的硬件Fig.1 Hardware of TRT6000 geological advanced prediction system

TRT采用的是地震波超前预报法，这种技术的原理在于当激发的地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)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，被用来了解巷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。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，回波就越明显，越容易探测到。TRT采用层析扫描成像技术，可以形成立体、直观的三维立体图，它通过由反射、弥散、折射、散射等多类波形所组成的地震信号，在不同种类介质中以不同的速度和衰减率进行传播，是利用信号波形变化来估计介质性质变化的位置和范围的反演技术，其原理如图2所示。

图2 地震波反射获得地层三维地质构造原理Fig.2 Principle of 3D geological structure obtained by seismic wave reflection

1.2 PulseEKKO PRO地质雷达系统

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)方法是一种用于探测地下(或周围)介质分布的广谱电磁技术。与传统的空中雷达相比，主要区别在于探地雷达频率较低(10 MHz～10 GHz)且脉冲电磁波的持续时间短，因而保证脉冲电磁波在衰减很高的地下介质中也能达到较大的穿透深度和合适的分辨率。其基本原理是以高频电磁波传播为基础，通过高频电磁波在介质中反射和折射等现象来实现对地下介质的探测。在介质中传播的电磁波，其路径与电磁场强度随所通过的介质的电性、几何形态及尺寸等不同而变化，因此所接收到的反射回波的幅度、形状及其在纵横向上的展布特征也随之变化。目标性质的判定，即目标识别技术正是根据这些波形变化特征并结合地质知识进行的，图3所示地质雷达的发射天线(T)向地下定向发射高频宽频带电磁波，另一个接收天线(R)或处于接收状态的同一个天线接收来自于地下各种不同介质的界面或目标的反射波。

图3 地质雷达反射法探测原理Fig.3 Detection principle of GPR reflection method

PulseEKKO PRO是由加拿大探测器与软件公司生产的一款用于探测地下不同深度埋设物的专业型地质探测仪，其运用范围广泛，主要包括矿产勘探、考古、无损检测以及地下不良结构的探测等。其组成如图4所示，主要包括控制单元(数字影像记录仪、控制模块、电源、数字影像仪内嵌硬软件、电缆等)、低频电子单元(接收机、发射机、光缆转换器等)、低频天线(25、50、100 MHz)、软件(现场采集软件、专业版数据处理软件包、深度切片软件等)。和其它雷达相比，具有以下优点：发射电压选择范围大、接收灵敏度高、高性能数字记录DVLⅢ、系统功耗低、操作简单安全等。

图4 PulseEKKO PRO专业型地质探测仪Fig.4 PulseEKKO PRO professional geological detector

1.3 综合超前探测技术

实践表明，单一的一种超前地质预报方法往往具有一定的局限性，不能同时探测、预报与力学性质和含水性质均有关的地质缺陷体。实际工作中，欲取得好的预报效果，还需结合具体情况，将上述多种方法优化组合，综合运用，并全面利用现有地质资料及各种信号手段，走多方法、多参数、多角度的综合地球物理勘探之路，完善超前探测结果的地质解释工作，努力实现对巷道及井巷工程掘进中的实时与动态监测。

TRT技术的突出特点是在观测方式上实现了空间观测，地震偏移成像。TRT 技术较TSP有明显的改进，在欧洲有成功的应用，如Blisadona巷道、奥地利的过阿尔卑斯山的铁路双线巷道等，预报长度可达100～150 m，在软弱土层和破碎岩体地段也可预报60～90 m。根据巷道地震层析成像系统，它通过可视化地震反射层析成像技术预报隧洞掌子面前方150 m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置。

地质雷达探测方法是目前分辨率最高的工程地球物理方法，源于欧美的航天探空雷达技术，从20世纪70年代以后探地雷达的实际应用范围逐渐扩大。地质雷达在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于巷道超前预报工作，该方法能发现掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力，在深埋巷道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在20～30 m，对于长距离巷道的预报只能分段进行，同时雷达记录易受洞内机电设备干扰。

本文根据实际情况拟采用两种方式综合使用，一方面TRT探测技术从地下523水平探测巷道进行检测，另一方面pulseEKKO PRO雷达探测技术在水塘与塌陷区之间平整空地处进行地表检测。目前，国内开展超前探测技术以应用型研究居多，而且应用最多的是TSP系统，由于设备和探测费用较高等原因，TRT方法及其与GPR等相关探测手段的综合应用较少。本研究可以为铜坑矿井下安全高效的开采、矿井地质灾害控制、掘进施工效率等提供技术支撑，同时在促进国内超前探测的理论水平和丰富实践应用、推动我国金属矿山井下超前探测技术的发展、提高矿井安全生产方面具有重要意义。

2 工程案例介绍

华锡集团铜坑矿是广西华锡集团股份有限责任公司下属的主要矿山企业之一，主要以采矿为主，主要产品为锡、锌金属原矿，是集团公司主要原材料的生产基地。从1978年基建开始，经过四十来年的开采建设，浅部资源(细脉带和91号矿体)已经基本开采完，矿山一方面正抓紧实施深部采矿与探矿长远发展战略(深部的锌铜多金属矿体)，另一方面尽可能通过最大限度回采现有可采残矿、盘区矿体矿柱来解决目前面临的资源压力(浅部的细脉带残矿资源和92号矿体Ⅳ、Ⅵ盘区)。由于历史原因，地表已经形成了大范围的塌陷区，而地下还存在大量未完全充填的采空区，同时探明上部水库可能存在不良结构体造成渗漏。在目前自上而下多中段回采的复杂开采方式下，矿山井下开采作业存在一定的风险。因此，为了实现安全高效回采，控制地表岩层移动和采空区灾害事故的发生，开展矿山井下巷道等关键地质体的超前预测和预报工作和研究，及时、全面了解工作面前方工程地质和水文地质情况，减少巷探及等钻探工程量，进而合理安排掘进计划、修正施工方案，采取相应预防措施，对有效控制矿井地质灾害的发生，提高掘进、回采效率，降低成本具有重要意义。

2.1 TRT技术在井下巷道中的探测分析

图5 震源及传感器布置图Fig.5 Layout of source and sensor×—震源点；●—无线传感器

TRT探测结果如图6所示，其中图6a为侧视图，图6b为俯视图。根据图像可以看出，掌子面前方存在两处明显的带状反射区域，推测可能为断裂构造；在两处带状反射区域之间存在大量随机分布的不规则反射区域小块，推测可能为破碎带；在两处带状反射区域之间且处于不规则反射区域下方，存在负反射能量特别集中的区域，推测可能含水构造发育明显。根据以上分析和图6所示，在掌子面前方50、70、90 m附近分别存在一个约70°的急倾斜面，负反射能量最强，推测可能是3个充水量较大的断裂结构面，结构面几乎贯穿整个成像区域(巷道中心线左右20 m，高程520～570 m)。

图6 523水平测点探测图像Fig.6 523 detection image of horizontal measuring point

表1 部分介质的波速和密度

根据TRT探测结果分析，岩体具体情况可分为三段，具体情况如表2所示。

结合地质资料及实际情况，可以发现通过TRT探测技术推断的矿山地表1#水塘下方岩体破碎构造位置和范围与矿山井下523水平巷道揭露顶部淋水区域基本一致(如图7)，从而验证了探测的准确性。另一方面由于技术原因，TRT探测所获图像解译只显示了探测巷道的两翼方向20 m范围的图像，但反射体明显大于该范围，并在左侧反映出更强烈负反射能量(裂隙带或者断裂构造更为明显)且连续可见，因此可以推断这几个构造是由于从塌陷区位置向水塘方向发展形成。将TRT超前探测结果表明的探测点前方50～100 m处有裂隙构造的存在区域投影到地表，大致可以推断出构造位于水塘西侧。

表2 TRT探测结果及推论

图7 TRT探测结果对比分析图Fig.7 Comparison and analysis of TRT detection results

2.2 PulseEKKO PRO地质雷达系统

为了进一步获得水塘下方是否存在不良构造的信息，在水塘与塌陷区之间的滩头布置两条测线开展地质雷达探测，以进一步验证说明TRT探测结论。实验设置a、b两条长约38 m相距约3 m的平行测线，其中a测试方向为水塘往塌陷区方向，b与a方向相反。测试地为矿山治理水坝渗漏进行的泥土(石)覆盖形成，其表面光整平坦，相关参数如表3所示。

表3 岩石和黏土电阻率、电导率及相对介电常数

导出测线数据后经滤波设置及软件的处理分析，a、b两条探测线的探测结果如图8所示。为便于分析将雷达无损检测结果图中的异常区域作标识，图中黑色区域为异常区，并分别编号。分析结果如下：

图8 2号测区测线结果图Fig.8 Results of line in survey area 2

1)由于a、b两条测线的测量方向相反，因此b测线的起始位置对应a测线的结束位置。对比a、b测线的异常区可以发现：两条测线在距离水库2 m处和8 m处均存在异常区——即a和b测线结果图中3#异常区与2#异常区，且两条测线产生异常的深度均在地下6 m处，分析认为3#和2#异常区是由于地下存在裂隙或其他不良地质构造所致；a测线的1#异常区和b测线的1#异常区在位置上无对应关系，然而两条测线仅相距3 m，理论上应该相差不大，因此认为这些异常的产生是由于在两条测线的1#异常区的地下某处存在与土壤电阻率相差较大的杂质干扰，如石块或金属体等。

2)由于探测目标与周围地质体电阻率相差较小，周围环境存在电线、金属管等干扰，探测深度较深造成探测结果分辨率降低等不利因素，因此探测分析结果受干扰影响会存在一定误差。其中离地表6 m以内出现大量异常区为泥土(石)覆盖层，可不考虑。

根据实验结果可以发现，在水塘与塌陷区之间存在多处不良构造区域，具体位置在水塘边往西侧约33 m处(测线布置距水塘边缘大致2 m，2#异常区距离测线东侧距离31 m左右)，虽然探测深度仅为20 m，但异常信号明显可以延伸至深部20 m以下。

2.3 综合超前探测技术

根据两种探测方式的分析结果分别表明：TRT探测技术在523水平探测巷道显示前方90～100 m还存在三条约70°负反射能量最强的急倾斜面，并且范围大几乎贯穿整个成像面，由此推测为3个充水量较大的断裂结构面，结构面几乎贯穿整个成像区域，同时可知此断裂结构面与巷道至地表有联系；pulseEKKO PRO地质雷达探测技术表明在水塘与塌陷区之间存在多处信号异常区(具体位置在水塘边往西侧约33 m处)，异常信号明显可以延伸至整个探测深度下，可以推断出该区域存在多处明显的大范围不良地质体。两种技术均表明水塘附近存在不良地质体，且根据现场检测发现水塘存在渗水情况，进一步验证了探测结果的准确性。

由于三大矿体在垂直方向上多层重复采动，形成上下空区群，矿山地压控制工作困难。上部隔火矿柱由于民采和局部自然冒落已呈不完整状态，稳定性受到很大影响。造成了火区蔓延和地压灾害等安全隐患。多年来，铜坑矿投入了大量的人力物力进行事故隐患区的治理，使火区和地压灾害隐患基本处于受控状态。但是，采场局部垮塌和采区岩层移动也时有发生，直到现在隐患仍然存在(图9)，随着时间的推移，控制安全隐患的难度愈来愈大，成本也愈来愈高。结合两种探测结果的情况分析表明，T203塌陷坑至T110塌陷坑及整个坍陷区范围内岩体发生了移动，塌陷区范围在增加，上覆岩层发生了较明显的移动和开裂，并向工业场地(水塘)方向有发展的趋势。

图9 岩层移动趋势预测Fig.9 Prediction of strata movement trend

3 结论

本案例应用TRT6000超前地质预报设备、Pulse EKKO PRO地质雷达等手段，开展了矿山地质超前预测预报，实现了铜坑矿开采关键工程地质体性质(软弱带、破碎、带断层、含水层等)超前安全探测和成果解译，根据关键地层层析扫描三位视图成像较为精准地确定了水塘渗水位置，为后期防渗治理提供了有利的参考依据，保障了矿山的安全生产，主要结论如下：

1)从超前探测和地质雷达探测综合分析的结果表明，探测区上方岩体存在裂隙构造带的发育，弱化了岩体结构和稳定性，并成为渗水的关键因素之一，与矿山了解的实际情况相符合，说明TRT在矿山井下的应用具有较高的实用价值。

2)从TRT探测技术在523水平TRT超前探测结果表明，矿山水塘下方存在3个比较明显的岩体破碎构造带，其位置和范围与矿山井下523水平巷道揭露顶部淋水区域基本一致，可能为该位置渗水的关键影响因素。

3)从pulseEKKO PRO系统地质雷达探测结果表明，在水塘与塌陷区之间存在多处不良构造区域，具体位置在水塘边往西侧约33 m处，虽然探测深度仅为20 m，但异常信号明显可以延伸至深部20 m以下。

4)探测结果推测一号水塘与塌陷区之间的岩层存在多处不良构造区域，表明T203塌陷坑至T110塌陷坑及整个坍陷区范围内岩体发生了拉、压、剪切的连续变形和非连续破坏。岩层移动乃至塌陷范围将随着空间和时间发生动态的变化，不断发生的地表开裂和沉陷也说明了岩移的存在。