深部巖層不良地質(zhì)構(gòu)造地震層析成像技術(shù)研究①

曹平，歐可，寧果果，韓東亞

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也與日俱增，而淺層資源日益減少，資源開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，深部與淺部開采的工程環(huán)境迥異，當(dāng)工作面前方存在不良地質(zhì)構(gòu)造，并與地下涌水、硬巖巖爆等同時(shí)凸顯時(shí)，稍有不慎，就會(huì)造成塌方、沉陷、突泥、涌水、人員和設(shè)備傷害等工程事故［1－3］，進(jìn)而給礦山開采帶來(lái)重大災(zāi)難和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此開展隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測(cè)預(yù)報(bào)，不僅能及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和支護(hù)參數(shù)，還可避免險(xiǎn)情的發(fā)生，這對(duì)減少施工盲目性、確保工程安全生產(chǎn)有著重要意義［4－6］。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者圍繞隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了諸多探索，相繼開展了直流電法、地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、陸地聲納法、隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP)、地震層析成像技術(shù)(TRT)等研究工作［7－10］。前蘇聯(lián)學(xué)者將直流電法用于煤礦探測(cè)，解決了礦壓和巷道變形監(jiān)測(cè)等多種開采難題［11］。美國(guó)NSA研發(fā)了TRT6000地震層析成像技術(shù)，并于2006年被引進(jìn)中國(guó)。我國(guó)在儀器開發(fā)、理論研究等方面也取得了諸多突破和進(jìn)展。王夢(mèng)恕［12］根據(jù)多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出隧道超前預(yù)報(bào)“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主，長(zhǎng)短結(jié)合，以短為主”的方法。李術(shù)才等［13］提出了“三結(jié)合”原則，深化了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究。牛澤林等［14］提出以地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)為手段，從實(shí)際襯砌厚度入手，應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)中的黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)踐證明，隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)通過(guò)采用物探和鉆探相結(jié)合，提前掌握了開挖面前方地質(zhì)構(gòu)造，有利于隧道信息化施工［15－17］。但是以上研究主要針對(duì)的是山嶺隧道，對(duì)于地質(zhì)條件更為復(fù)雜的深部礦山巷道是否也適用TRT6000地震層析成像技術(shù)并無(wú)相關(guān)研究，本文介紹TRT6000地震層析成像技術(shù)在中鋁公司鋁土礦運(yùn)輸巷道以及金川公司鎳礦978探礦道的工程應(yīng)用，通過(guò)工程地質(zhì)超前探測(cè)、信息反饋和修正設(shè)計(jì)等過(guò)程，對(duì)地下水、采空區(qū)等不良地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行定性和定量的預(yù)報(bào)，為巷道的支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供充分的技術(shù)支持。

1 TRT6000超前探測(cè)試驗(yàn)

關(guān)于TRT6000測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集的方法在文獻(xiàn)［18－19］有詳細(xì)介紹，這里主要對(duì)運(yùn)用TRT6000的檢測(cè)理論、識(shí)圖方法等進(jìn)行解釋。TRT(True Reflection Tomography)6000基于地震層析成像技術(shù)(STT)，屬于地球物理探測(cè)方法之一，這項(xiàng)技術(shù)始于上世紀(jì)80年代末，其原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，因其具有效、率高、無(wú)損檢測(cè)、不影響正常施工等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地球內(nèi)部構(gòu)造成像、石油勘探等領(lǐng)域。在巖質(zhì)隧道中的探測(cè)距離為100～150 m，在軟弱土層和破碎巖體中的探測(cè)距離為60～90 m，正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:R為地震波在界面的反射系數(shù);ρ1為第1層介質(zhì)的密度;ρ2為第2層介質(zhì)的密度;V1為地震波在第1層介質(zhì)中的傳播速度;V2為地震波在第2層介質(zhì)中的傳播速度。只有在Z1≠Z2時(shí)，地震波在介質(zhì)分界面處才發(fā)生反射現(xiàn)象，當(dāng)?shù)卣鸩◤囊环N低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為正;反之，反射系數(shù)為負(fù)。地震波從軟性地質(zhì)體傳播到硬質(zhì)地質(zhì)體時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源一致，當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)，反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波越容易被探測(cè)到，結(jié)合層析掃描成像技術(shù)，通過(guò)分析多點(diǎn)復(fù)合的地震波波速和傳播時(shí)間等參數(shù)疊加，就能形成詳細(xì)、直觀的三維立體圖(見圖1)。

圖1 TRT6000探測(cè)原理示意圖Fig.1 Principle of TRT6000 exploration

2 TRT6000超前探測(cè)工程應(yīng)用分析

2.1 中鋁公司段村－雷溝鋁土礦工程地質(zhì)概況

中鋁公司段村－雷溝鋁土礦資源儲(chǔ)量豐富，礦區(qū)前期民采規(guī)模較大，各礦井相互串通，形成了采空區(qū)，老窿積水嚴(yán)重，礦區(qū)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件和地下采空區(qū)對(duì)鋁土礦層的安全開采構(gòu)成較大威脅，現(xiàn)有條件不能保證井巷施工和礦山開采的安全。巷道施工至斷層破碎帶后，地質(zhì)條件復(fù)雜，掌子面附近巖體巖性以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及弱膠結(jié)的粉砂巖為主，巖體裂隙特別發(fā)育并呈松散狀態(tài)，同時(shí)裂隙水帶走了節(jié)理間的填充物，使得頁(yè)巖的黏結(jié)力大大降低，以致巷道開挖后突泥，嚴(yán)重影響巷道施工進(jìn)度，目前礦區(qū)采用的探測(cè)方式為傳統(tǒng)的水平孔超前鉆，其結(jié)果雖然比較真實(shí)客觀，但9個(gè)深度為20 m的鉆孔施工量大、費(fèi)用高，因此，通過(guò)超前探測(cè)快速掌握前方巖體的詳細(xì)地質(zhì)情況，對(duì)礦區(qū)施工有重要意義。超前探測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)研究試驗(yàn)一地點(diǎn)選取段村7號(hào)進(jìn)風(fēng)井420中段脈外運(yùn)輸巷道掘進(jìn)開挖的掌子面，該處巷道相對(duì)目前礦區(qū)已揭露巖體屬于最差類型，通過(guò)超前探測(cè)了解掌子面前方未揭露巖體的詳細(xì)巖層分布情況，為巷道支護(hù)方案選取提供詳細(xì)的地質(zhì)依據(jù)。

2.2 TRT6000超前探測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)上傳并評(píng)估不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波數(shù)據(jù)，在Src標(biāo)簽窗口中填入適當(dāng)?shù)乃俣戎翟u(píng)估波速，反演計(jì)算獲得最佳的地震波平均波速，由圖2可知，圍巖縱波的平均速度Vp為3400 m/s，圍巖橫波的平均速度Vs為1900 m/s，再建立超前地質(zhì)探測(cè)的地震波速度模型，分析結(jié)果超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維全景如圖2(b)，(c)和(d)所示。圖中左側(cè)拱圈所示部分為已開拓巷道，其中錘擊點(diǎn)位、傳感器點(diǎn)位如圖所示，錘擊點(diǎn)位第1個(gè)拱圈所示為巷道掌子面，圖中每個(gè)方格表示地層距離10 m，TRT6000層析成像圖中，不良地質(zhì)體即反射界面為相對(duì)于巷道掌子面圍巖情況而定，因此在地質(zhì)探測(cè)成果解釋中，暗色區(qū)域或者離散點(diǎn)應(yīng)視為相對(duì)于掌子面圍巖的軟弱巖層，淺色為完整巖體，若暗色區(qū)域連通則可能為裂隙、解理發(fā)育地點(diǎn)，裂隙發(fā)育的地方含水也多，若面積較大則可能為斷層或溶洞，探測(cè)結(jié)果與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比后最終可得出結(jié)論。通過(guò)分析圖2(b)，(c)，(d)和(e)，綜合工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)信息反饋、修正設(shè)計(jì)和研究過(guò)程，得出以下結(jié)論:該處掌子面前方0～40 m范圍內(nèi)，反射能量很弱，幾乎不存在反射體，由此判斷該處與掌子面處圍巖條件相似，即以鐵質(zhì)、泥質(zhì)頁(yè)巖為主，該段范圍內(nèi)未見斷層破碎帶等富含水系地質(zhì)體，可知該段涌水量與掌子面持平，圍巖局部節(jié)理、裂隙稍發(fā)育;40～45 m范圍內(nèi)，有少量零星軟弱夾層出現(xiàn)，根據(jù)礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，判斷為夾泥地層，局部放大探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)零星軟弱夾層僅分布在掌子面正前方右側(cè);45～55 m范圍內(nèi)，圍巖仍以鐵質(zhì)、泥質(zhì)頁(yè)巖為主;55～85 m探測(cè)邊界處有大體積破碎帶，根據(jù)本區(qū)域范圍內(nèi)掘進(jìn)情況及地質(zhì)狀態(tài)，此段范圍內(nèi)夾泥的可能性很大，并可能伴有較大規(guī)模的地下涌水，大體積軟弱破碎帶也呈現(xiàn)左右不對(duì)稱分布，且位于巷道掘進(jìn)正前方，在巷道掘進(jìn)左偏19°前方出現(xiàn)較晚，距離約為60 m。

圖2 巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維立體圖Fig.2 Laneway advanced geological prediction of TRT6000(3D)

表1 TRT6000探測(cè)成果與巷道開挖結(jié)果對(duì)比表Table 1 Comparison of TRT6000 results and laneway excavation results

2.3 金川礦區(qū)概況

金川公司鎳礦978探礦道TRT6000測(cè)試工作開展巷道已揭露圍巖為白色粒狀變晶結(jié)構(gòu)大理巖，巖體塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，工程地質(zhì)條件良好，無(wú)滴水、涌水現(xiàn)象，掌子面處揭露巖體為黑綠色中細(xì)粒結(jié)構(gòu)斜長(zhǎng)角閃巖，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，蝕變強(qiáng)烈，工程地質(zhì)條件差;該處巷道埋深近千米，高地應(yīng)力及斷層導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力劇增，使得斷層區(qū)域內(nèi)斜長(zhǎng)角閃巖破碎。常規(guī)的支護(hù)方式在使用一段時(shí)間后失效，巷道冒頂嚴(yán)重，因此有必要開展超前探測(cè)試驗(yàn)，掌握地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力變化規(guī)律，并依據(jù)支護(hù)理論，針對(duì)不同地質(zhì)條件的巖體，靈活地采用多種支護(hù)方式。

2.4 TRT6000超前探測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)圖3(a)中所示側(cè)視情況可以得到:掌子面前20 m范圍內(nèi)圍巖與掌子面揭露圍巖破碎形態(tài)保持一致，即圍巖結(jié)構(gòu)較破碎，節(jié)理發(fā)育;前方20～30 m范圍內(nèi)，存在許多不規(guī)則高能量反射波，且波形以負(fù)反射為主，通過(guò)對(duì)比三維成果圖，可見零星破碎更嚴(yán)重的圍巖體，分布區(qū)域在10 m左右范圍內(nèi)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件及上部圍巖內(nèi)分段道揭露地質(zhì)情況，可以判斷此處圍巖結(jié)構(gòu)體極有可能是已探明的Fc斷層，根據(jù)測(cè)試結(jié)果揭示情況判斷，斷層內(nèi)圍巖較掌子面圍巖更為破碎;掌子面前方32 m處有一厚度約1 m，寬度約2 m的局部巖體較掌子面完整，其位置在側(cè)視角度下為掌子面正前方;前方40～50 m范圍內(nèi)出現(xiàn)較大體積地質(zhì)體，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷，此范圍內(nèi)巖體較掌子面揭露圍巖完整，但圍巖完整性情況仍不理想，工程地質(zhì)條件較差;前方55～80 m(測(cè)試區(qū)域界限)范圍內(nèi)，有一大體積地質(zhì)體，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷，該處圍巖較掌子面圍巖完整;2個(gè)地質(zhì)體中間有5 m左右圍巖與掌子面圍巖破碎情況相似。根據(jù)以上分析結(jié)果可以綜合判斷，掌子面前方圍巖整體以破碎狀態(tài)為主，且Fc斷層位置處圍巖破碎，F(xiàn)c斷層左側(cè)圍巖巖體破碎情況波動(dòng)不大，呈松散破碎形態(tài)，工程地質(zhì)條件差;Fc斷層右側(cè)圍巖情況復(fù)雜，右側(cè)10 m范圍內(nèi)圍巖與掌子面圍巖破碎形態(tài)相似，右側(cè)10 m以外，圍巖條件有所好轉(zhuǎn)，巖體完整性總體較好，局部區(qū)域內(nèi)夾雜較破碎巖體，厚度約5 m。

圖3(b)所示為金川二礦區(qū)978探礦道超前地質(zhì)探測(cè)結(jié)果俯視圖。結(jié)合圖3(a)可以判斷:Fc斷層右側(cè)厚度1 m，長(zhǎng)度2 m的局部完整巖體分布在巷道掘進(jìn)正前方，并呈現(xiàn)右上厚、左下薄的楔形體形狀。

圖3(c)所示為Fc斷層揭示位置處探測(cè)結(jié)果三維視角下的局部放大圖。根據(jù)圖3(c)所示細(xì)觀圖可以清晰看到，F(xiàn)c斷層揭露處圍巖較掌子面圍巖稍破碎，總體上與掌子面圍巖破碎形態(tài)相似，僅在零星區(qū)域內(nèi)有所表現(xiàn)，因此通過(guò)破碎形態(tài)來(lái)揭露確定Fc斷層的位置難度較大，但可以通過(guò)地質(zhì)類型來(lái)確定斷層具體位置及其厚度。

圖3 巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維立體圖Fig.3 Laneway advanced geological prediction of TRT6000(3D)

通過(guò)以上2項(xiàng)深部礦山工程超前探測(cè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果和后期實(shí)際開挖揭露的巖層真實(shí)情況對(duì)比可知，TRT6000地震層析成像技術(shù)對(duì)采空區(qū)、軟弱夾層、裂隙水等不良地質(zhì)構(gòu)造非常敏感，對(duì)于地下積水空區(qū)，也能通過(guò)結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料推算其規(guī)模，探測(cè)結(jié)果偏差較小，TRT6000和工程地質(zhì)調(diào)查與推斷方法相結(jié)合，對(duì)中短距離巷道不良地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的效果很好，能達(dá)到預(yù)測(cè)的目的，滿足設(shè)計(jì)施工要求。這為巷道安全高效的掘進(jìn)施工提供了保障。

3 結(jié)論

(1)TRT6000地震層析成像技術(shù)可廣泛適用于斷層破碎帶、民采空區(qū)、裂隙水等具有不良地質(zhì)條件的巖體，可以多角度、全方位分析巖層地質(zhì)情況，預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確、直觀、全面，儀器輕巧靈活，方便在井下狹小的空間開展超前探測(cè)作業(yè)，試驗(yàn)表明該技術(shù)不僅適用于山嶺隧道，對(duì)于地質(zhì)條件更為復(fù)雜的深部礦山巷道也能取得精確的探測(cè)結(jié)果。但由于深部礦山巷道地下水文條件復(fù)雜，多發(fā)生突水現(xiàn)象，因此在布置離掌子面最近的震源點(diǎn)時(shí)，應(yīng)提前觀察前方滲水情況，如突水嚴(yán)重，可適當(dāng)延長(zhǎng)錘擊點(diǎn)到掌子面的距離。

(2)TRT6000地震層析成像技術(shù)操作步驟簡(jiǎn)單、勘測(cè)距離較長(zhǎng)，安裝和測(cè)試時(shí)對(duì)施工影響較小，采用錘擊作為震源，同TSP超前探測(cè)技術(shù)使用爆破等激震方式相比，克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，具有安全度高、費(fèi)用低、不損害巷道圍巖等優(yōu)點(diǎn)。

(3)同時(shí)必須認(rèn)識(shí)到TRT6000地震層析成像技術(shù)也存在缺陷，主要包括以下幾個(gè)方面:產(chǎn)品附帶軟件的初始波速選擇人為誤差較大，過(guò)濾后結(jié)果誤差穩(wěn)定性不強(qiáng)，缺乏系統(tǒng)的成像圖后期處理工具，同時(shí)，測(cè)量過(guò)程中受礦山地下巷道爆破施工及其他工程的聲波干擾較大，應(yīng)在礦區(qū)非爆破施工期間開展探測(cè)工作，同時(shí)通過(guò)濾波，降低噪音信號(hào)比例，提取有效信號(hào)，并開發(fā)更強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，將干擾影響降到最小。由于目前TRT6000地震層析成像技術(shù)在礦山推廣使用尚未成熟，以至于相關(guān)的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，為保證巷道開挖施工的安全，應(yīng)適當(dāng)開展多種超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)結(jié)合的方案研究，如在探測(cè)段適當(dāng)鉆超前探測(cè)孔或開展其他物探手段，綜合比較技術(shù)指標(biāo)，得到最可靠的地質(zhì)巖層預(yù)報(bào)，只有多種方法相互彌補(bǔ)、相互驗(yàn)證，采用綜合的預(yù)報(bào)方法，才能取得最佳的預(yù)報(bào)效果。

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