基于TRT系統(tǒng)的金屬礦山巷道施工超前地質(zhì)預(yù)報：以安徽徐樓鐵礦為例

范曉飛，陳 劍，岳志朋，滕永波，田云飛，馬俊學(xué)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.山東地礦股份有限公司，山東 濟南 250013)

地下礦山巷道掘進施工過程中，經(jīng)常會因為巖體的物理力學(xué)特性，以及采掘工程引起地下圍巖原始力學(xué)平衡狀態(tài)的改變[1]，而受到諸如突(涌)水、軟弱巖層、斷層破碎帶、巖爆及有害氣體等災(zāi)害性地質(zhì)作用影響。若在對巷道前方地質(zhì)條件判斷不明的情況下向前掘進，遇到上述災(zāi)害性地質(zhì)作用時，就可能會引發(fā)“淹井”“塌方”等礦井安全事故，造成不可估量的經(jīng)濟損失與人員傷亡[2-3]。為了保證礦山巷道掘進施工的安全進行，需要準確掌握巷道掌子面前方的圍巖性質(zhì)、含水條件、軟弱帶、破碎帶等不良地質(zhì)條件的具體情況，因此對巷道前方進行超前地質(zhì)預(yù)報是非常必要的。通過超前地質(zhì)預(yù)報，及時準確地查明巷道前方不良地質(zhì)情況及其出現(xiàn)的位置、規(guī)模及性質(zhì)，有助于為判斷巷道圍巖類別、提供支護設(shè)計參數(shù)、優(yōu)化施工方案和施工技術(shù)方面提供指導(dǎo)，并預(yù)防突(涌)水、坍塌等災(zāi)害事故的發(fā)生，保證安全施工[4-7]。

TRT(true reflection tomography)超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理是利用地震波(彈性波)的反射原理，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)，反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水性等)、位置及規(guī)模[8-9]。地震波從一種低阻抗巖體傳播到一種高阻抗巖體時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)[10]。

TRT6000超前預(yù)報系統(tǒng)利用地震波三維層析成像技術(shù)能夠準確、全面、直觀地預(yù)測巷道掌子面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件[11]。本文采用TRT預(yù)報系統(tǒng)在徐樓鐵礦開展超前預(yù)報研究性試驗，通過對TRT綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果和實際開挖情況的對比檢驗，獲得TRT預(yù)報系統(tǒng)在鐵礦巷道中的實際使用效果。

1 工程概況及TRT工作布置

1.1 工程概況

徐樓鐵礦位于淮北市濉溪縣百善鎮(zhèn)，隸屬于淮北徐樓礦業(yè)有限公司。該礦是一處巖漿侵入石灰?guī)r中形成的接觸交代型磁鐵礦礦床，礦體位于閃長巖與大理巖的接觸帶或附近大理巖中，埋深在48～385 m之間，地質(zhì)儲量近3 000萬t[12]。礦區(qū)地表被大面積第四系沉積物所覆蓋，地下水主要含水層為第四系沉積層的孔隙潛水和奧陶系灰?guī)r中巖溶裂隙承壓水，隔水層為第四系黏土隔水層與閃長巖隔水層。礦區(qū)圍巖裂隙巖溶含水層聯(lián)通性好，且與外圍地下水水力聯(lián)系密切，富水性強，屬于典型的平原淺埋巖溶大水金屬礦山。

自2008年開工以來，由于礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜、礦坑涌水量大，經(jīng)常受到突(涌)水的困擾，無論是在基建期還是掘礦開采期，都因為地下水防治工作緩慢且困難而嚴重影響了礦山開采的進度和施工安全。徐樓鐵礦一期采礦工程采用了注漿帷幕的方法對地下水進行防治[13]，僅石樓一礦帶前期探水注漿工程共鉆孔771個，總進尺達34 305 m，總注漿量超過20 000 t，經(jīng)過近兩年的防治水工程的實施，基本實現(xiàn)了封堵礦體25 m范圍內(nèi)的主要含水構(gòu)造，防治水工程投入巨大。此次試驗點為靠近礦體的出礦巷道，地層為奧陶系馬家溝組灰?guī)r、大理巖，呈似層狀構(gòu)造，礦體圍巖主要為堅硬、半堅硬的層狀變質(zhì)大理巖，巖溶裂隙比較發(fā)育。

1.2 TRT工作布置

徐樓鐵礦巷道斷面呈馬蹄型，將震源點位置選在掌子面附近巷道的兩側(cè)，傳感器位置在掌子面后方12～27 m處巷道的兩側(cè)和頂部，具體布置見圖1。使用全站儀測量震源點與傳感器點的相對坐標，測量誤差必須小于10 cm。正確連接設(shè)備，建立基站，運行采集程序，進行數(shù)據(jù)采集工作。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集完成后，將震源點與傳感器點的位置坐標、地震波數(shù)據(jù)等導(dǎo)入RV3D軟件中進行數(shù)據(jù)處理[14-16]。

×-震源點；●-無線傳感器圖1 TRT6000 傳感器、震源點布置圖Fig.1 TRT6000 sensor and focal point layout

2 結(jié)果與檢驗

2.1 綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

根據(jù)巷道測定掌子面前方100 m范圍內(nèi)的TRT地震波反射掃描成像三維圖和波速圖，結(jié)合掌子面的地質(zhì)信息及礦區(qū)地質(zhì)資料，對掌子面前方可能存在的巖性分界、斷層、破碎帶、軟弱蝕變帶以及巖溶等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、形態(tài)和規(guī)模等進行解譯，得出綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。

2.1.1 -205 m水平巷道綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

1) 0～13 m、25～36 m、68～98 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射不明顯(圖2)，推測該段巷道圍巖情況與掌子面處類似(表1)，即矽卡巖礦脈與灰?guī)r(大理巖)混合接觸，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體完整性差，裂隙水局部發(fā)育。

圖2 -205 m水平巷道TRT三維成像俯視圖Fig.2 TRT 3D imaging overlook map of -205 m level mine roadway

表1 -205 m水平巷道測定掌子面地質(zhì)素描信息表Table 1 Geological sketch information table of -205 m level mine roadway face

2) 13～18 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射一般，推測該段巷道左側(cè)圍巖會出現(xiàn)較為堅硬的磁鐵礦體，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差。

3) 18～25 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較強，反射面較多，以正反射為主，且地震波波速升高(圖3)，推測該段巷道以較為堅硬的磁鐵礦體為主，圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙局部發(fā)育

4) 36～48 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。巷道右側(cè)地震波反射較強，且以負反射為主，推測該段巷道以軟硬巖混合接觸為主，裂隙非常發(fā)育，連續(xù)性較好，極可能為賦存地下水的蝕變帶，應(yīng)提前做好排水措施。

5) 48～54 m、60～68 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較強，反射面較多，但反射較為完整，且以正反射為主，地震波波速較高，推測該段巷道圍巖以較為堅硬的磁鐵礦體為主，完整性逐漸變好。

6) 54～60 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較強，反射面較多，以負反射為主，但反射較為完整，地震波波速較高，推測該段巷道巖體為變質(zhì)大理巖，完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，含有較小體積的破碎帶。

2.1.2 -217 m水平巷道綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

1) 0～30 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射不明顯(圖4)，地震波波速與背景值基本相同(圖5)，推測該段巷道圍巖情況與掌子面處類似(表2)，即巖體巖性為變質(zhì)大理巖，呈層狀構(gòu)造，巖體結(jié)構(gòu)完整性較差，節(jié)理、裂隙很發(fā)育。

2) 30～48 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較強，其中30～40 m范圍以負反射為主，且地震波波速低于背景值，推測該段巖體結(jié)構(gòu)完整性較差，節(jié)理、裂隙很發(fā)育；40～48 m范圍以正反射為主，地震波波速高于背景值，且逐漸增大，推測該段為矽卡巖礦體與大理巖接觸帶，以矽卡巖礦體為主，巖體結(jié)構(gòu)完整性較差，多發(fā)育蝕變帶、軟弱帶。

3) 48～66 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較弱，局部位置反射不明顯，地震波波速高于背景值，且逐漸增大，推測該段巷道開始出現(xiàn)較為堅硬的磁鐵礦體，會出現(xiàn)多處礦體與大理巖接觸帶，巖體完整性和穩(wěn)定性較差，蝕變帶、軟弱帶多發(fā)育。

4) 66～72 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射較強，主要為負反射，地震波波速逐漸增高，且比背景值大，推測該段以堅硬的磁鐵礦體為主，節(jié)理裂隙、蝕變帶、軟弱帶多發(fā)育，可能存在地下水導(dǎo)水通道。

5) 72～85 m地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。地震波反射不明顯，地震波波速比背景值大，推測該段以較堅硬的磁鐵礦體為主，巖體結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性較好，節(jié)理裂隙少發(fā)育。

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

圖4 -217 m水平巷道TRT三維成像俯視圖Fig.4 TRT 3D imaging overlook map of -217 m level mine roadway

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

2.2 綜合地質(zhì)預(yù)報檢驗

-205 m水平及-217 m水平巷道實際施工情況見表3。

表2 -217 m水平巷道測定掌子面地質(zhì)素描信息表Table 2 Geological sketch information table of -217 m level mine roadway face

表3 實際施工情況表Table 3 Actual construction table

可以看出，將巷道掌子面前方100 m范圍的TRT綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況進行詳細對比檢驗，得出準確預(yù)報范圍和距離，再將準確預(yù)報的總距離除以開挖驗證的總距離，最后獲得該水平巷道的綜合地質(zhì)預(yù)報準確率，詳見表4和表5。經(jīng)過分析，TRT系統(tǒng)綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與實際情況吻合度較高，兩水平巷道預(yù)報準確率分別為70.0%和68.2%。

表4 -205 m水平出礦巷道超前地質(zhì)預(yù)報準確性分析表Table 4 Accuracy analysis table for advanced geological prediction of -205 m level mine roadway

表5 -217 m水平出礦巷道超前地質(zhì)預(yù)報準確性分析表Table 5 Accuracy analysis table for advanced geological prediction of -217 m level mine roadway

3 結(jié) 論

1) 對TRT探測數(shù)據(jù)進行解譯時，需結(jié)合掌子面素描和礦區(qū)地質(zhì)資料，得出TRT綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，有助于降低TRT解譯結(jié)果的多解性。通過將TRT綜合預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況檢驗對比，TRT預(yù)報系統(tǒng)在預(yù)報節(jié)理裂隙、軟弱蝕變帶、溶洞、礦體等方面有著良好的效果，預(yù)報準確率分別為70.0%和68.2%。

2) TRT系統(tǒng)本身對預(yù)報掌子面前方含水體的準確率一般，解譯時容易出現(xiàn)多解性，目前難以做到準確預(yù)報。因此在使用TRT預(yù)報前方含水體時，可以考慮結(jié)合其他物探設(shè)備來進行綜合預(yù)報，有助于降低TRT解譯結(jié)果的多解性，提高對含水體預(yù)報的準確率。