王 雷，何曉武

(1.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦，廣西 南丹 547205；2.銦錫資源高效利用國家工程試驗采礦研究所，廣西 南丹 547205)

地下巖體工程復雜多變，在勘探階段難以完全查明其相關的巖體特征以及可能存在的不良地質體的位置、規(guī)模和性質。通過地質超前探測方式，提前發(fā)現可能存在的異常地質情況，探明其位置、產狀以及水文地質等情況，對井下施工設計和作業(yè)有很重要的指導意義。

從1950年代，蘇聯(lián)學者最先在煤礦井下探測中使用直流電法，并成功解決了與礦山安全、生產有關的多種地質問題，同時日本、瑞士、德國和英國也運用相關探測技術探測巷道工作面前方的地質構造[1-3]。直到1990年代，瑞士Amberg公司開發(fā)研制的TSP巷道地震預報系統(tǒng)才在瑞士、德國、法國、意大利、奧地利、日本等發(fā)達國家的巷道施工中廣泛使用，其具有探測距離遠、分辨率高、抗干擾能力強、資料解釋快、對施工影響小等優(yōu)勢[4]。在20世紀末美國NSA工程公司研發(fā)的TRT 技術較TSP技術有了進一步提升，實現了空間觀測，地震偏移成像，且預報長度有了顯著提高[5]。另外我國學者趙永貴提出TST方法，通過可視化地震反射層析成像技術預報隧洞掌子面前方150 m范圍內的地質情況，可準確預報斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質對象的位置[6-7]。

目前，國內外用于超前探測的方法很多，主要有紅外測溫法、直接鉆探法、地震波法、瑞利波法、井巷電阻率法和電磁波法等。超前探測技術手段運用呈多樣化，但各種方法均各有利弊：如地質雷達探測方法是目前分辨率最高的工程地球物理方法，但其探測距離較短；如TRT技術快捷、精度高且能三維成像，但對含水體效果較差[8-9]。實踐表明，單一的一種超前地質預報方法往往具有一定的局限性，不能同時探測、預報與力學性質和含水性質均有關的地質缺陷體。實際工作中，欲取得好的預報效果，還需結合具體情況，將上述多種方法優(yōu)化組合，綜合運用[10-12]。

筆者將結合TRT6000型超前預報系統(tǒng)和pulseEKKO PRO地質雷達系統(tǒng)在銅坑礦應用，探討在礦區(qū)上部存在水庫和地表塌陷區(qū)等不良地質條件，如何實現在礦山開采過程中通過綜合超前探測技術，對隱藏斷裂帶位置的精準地位，為巷道掘進所會遇到的穩(wěn)定性和水患問題提供指導作用。

1 綜合超前探測技術的工作原理及方法

1.1 TRT地質超前預報工作原理及方法

TRT6000系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，其中硬件組成主要有主機、基站、無線模塊、傳感器、觸發(fā)器五個部分，如圖1所示。軟件主要包括地震波采集軟件Sawtooth、地震波處理層析成像軟件RockVision-Interface和Rock 3D，主要作用分別是接受錘擊震源點激發(fā)的地震波、建立含巷道掌子面大地坐標的地質三維空間坐標體系以及結合三維空間坐標體系和地震波數據，利用反射波層析圖像原理反映掌子面前方的地質巖層情況。

圖1 TRT6000型地質超前預報系統(tǒng)的硬件Fig.1 Hardware of TRT6000 geological advanced prediction system

TRT采用的是地震波超前預報法，這種技術的原理在于當激發(fā)的地震波遇到聲學阻抗差異(密度和波速的乘積)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。聲學阻抗的變化通常發(fā)生在地質巖層界面或巖體內不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解巷道工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)，位置及規(guī)模。地震波從一種低阻抗物質傳播到一個高阻抗物質時，反射系數是正的；反之，反射系數是負的。因此，當巖體內部有破裂帶時，回波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。TRT采用層析掃描成像技術，可以形成立體、直觀的三維立體圖，它通過由反射、彌散、折射、散射等多類波形所組成的地震信號，在不同種類介質中以不同的速度和衰減率進行傳播，是利用信號波形變化來估計介質性質變化的位置和范圍的反演技術，其原理如圖2所示。

圖2 地震波反射獲得地層三維地質構造原理Fig.2 Principle of 3D geological structure obtained by seismic wave reflection

1.2 PulseEKKO PRO地質雷達系統(tǒng)

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法是一種用于探測地下(或周圍)介質分布的廣譜電磁技術。與傳統(tǒng)的空中雷達相比，主要區(qū)別在于探地雷達頻率較低(10 MHz～10 GHz)且脈沖電磁波的持續(xù)時間短，因而保證脈沖電磁波在衰減很高的地下介質中也能達到較大的穿透深度和合適的分辨率。其基本原理是以高頻電磁波傳播為基礎，通過高頻電磁波在介質中反射和折射等現象來實現對地下介質的探測。在介質中傳播的電磁波，其路徑與電磁場強度隨所通過的介質的電性、幾何形態(tài)及尺寸等不同而變化，因此所接收到的反射回波的幅度、形狀及其在縱橫向上的展布特征也隨之變化。目標性質的判定，即目標識別技術正是根據這些波形變化特征并結合地質知識進行的，圖3所示地質雷達的發(fā)射天線(T)向地下定向發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個接收天線(R)或處于接收狀態(tài)的同一個天線接收來自于地下各種不同介質的界面或目標的反射波。

圖3 地質雷達反射法探測原理Fig.3 Detection principle of GPR reflection method

PulseEKKO PRO是由加拿大探測器與軟件公司生產的一款用于探測地下不同深度埋設物的專業(yè)型地質探測儀，其運用范圍廣泛，主要包括礦產勘探、考古、無損檢測以及地下不良結構的探測等。其組成如圖4所示，主要包括控制單元(數字影像記錄儀、控制模塊、電源、數字影像儀內嵌硬軟件、電纜等)、低頻電子單元(接收機、發(fā)射機、光纜轉換器等)、低頻天線(25、50、100 MHz)、軟件(現場采集軟件、專業(yè)版數據處理軟件包、深度切片軟件等)。和其它雷達相比，具有以下優(yōu)點：發(fā)射電壓選擇范圍大、接收靈敏度高、高性能數字記錄DVLⅢ、系統(tǒng)功耗低、操作簡單安全等。

圖4 PulseEKKO PRO專業(yè)型地質探測儀Fig.4 PulseEKKO PRO professional geological detector

1.3 綜合超前探測技術

實踐表明，單一的一種超前地質預報方法往往具有一定的局限性，不能同時探測、預報與力學性質和含水性質均有關的地質缺陷體。實際工作中，欲取得好的預報效果，還需結合具體情況，將上述多種方法優(yōu)化組合，綜合運用，并全面利用現有地質資料及各種信號手段，走多方法、多參數、多角度的綜合地球物理勘探之路，完善超前探測結果的地質解釋工作，努力實現對巷道及井巷工程掘進中的實時與動態(tài)監(jiān)測。

TRT技術的突出特點是在觀測方式上實現了空間觀測，地震偏移成像。TRT 技術較TSP有明顯的改進，在歐洲有成功的應用，如Blisadona巷道、奧地利的過阿爾卑斯山的鐵路雙線巷道等，預報長度可達100～150 m，在軟弱土層和破碎巖體地段也可預報60～90 m。根據巷道地震層析成像系統(tǒng)，它通過可視化地震反射層析成像技術預報隧洞掌子面前方150 m范圍內的地質情況，可準確預報斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質對象的位置。

地質雷達探測方法是目前分辨率最高的工程地球物理方法，源于歐美的航天探空雷達技術，從20世紀70年代以后探地雷達的實際應用范圍逐漸擴大。地質雷達在工程質量檢測、場地勘察中被廣泛采用，近年來也被用于巷道超前預報工作，該方法能發(fā)現掌子面前方地層的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力，在深埋巷道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質雷達是一個很好的預報手段。但是地質雷達目前探測的距離較短，大約在20～30 m，對于長距離巷道的預報只能分段進行，同時雷達記錄易受洞內機電設備干擾。

本文根據實際情況擬采用兩種方式綜合使用，一方面TRT探測技術從地下523水平探測巷道進行檢測，另一方面pulseEKKO PRO雷達探測技術在水塘與塌陷區(qū)之間平整空地處進行地表檢測。目前，國內開展超前探測技術以應用型研究居多，而且應用最多的是TSP系統(tǒng)，由于設備和探測費用較高等原因，TRT方法及其與GPR等相關探測手段的綜合應用較少。本研究可以為銅坑礦井下安全高效的開采、礦井地質災害控制、掘進施工效率等提供技術支撐，同時在促進國內超前探測的理論水平和豐富實踐應用、推動我國金屬礦山井下超前探測技術的發(fā)展、提高礦井安全生產方面具有重要意義。

2 工程案例介紹

華錫集團銅坑礦是廣西華錫集團股份有限責任公司下屬的主要礦山企業(yè)之一，主要以采礦為主，主要產品為錫、鋅金屬原礦，是集團公司主要原材料的生產基地。從1978年基建開始，經過四十來年的開采建設，淺部資源(細脈帶和91號礦體)已經基本開采完，礦山一方面正抓緊實施深部采礦與探礦長遠發(fā)展戰(zhàn)略(深部的鋅銅多金屬礦體)，另一方面盡可能通過最大限度回采現有可采殘礦、盤區(qū)礦體礦柱來解決目前面臨的資源壓力(淺部的細脈帶殘礦資源和92號礦體Ⅳ、Ⅵ盤區(qū))。由于歷史原因，地表已經形成了大范圍的塌陷區(qū)，而地下還存在大量未完全充填的采空區(qū)，同時探明上部水庫可能存在不良結構體造成滲漏。在目前自上而下多中段回采的復雜開采方式下，礦山井下開采作業(yè)存在一定的風險。因此，為了實現安全高效回采，控制地表巖層移動和采空區(qū)災害事故的發(fā)生，開展礦山井下巷道等關鍵地質體的超前預測和預報工作和研究，及時、全面了解工作面前方工程地質和水文地質情況，減少巷探及等鉆探工程量，進而合理安排掘進計劃、修正施工方案，采取相應預防措施，對有效控制礦井地質災害的發(fā)生，提高掘進、回采效率，降低成本具有重要意義。

2.1 TRT技術在井下巷道中的探測分析

圖5 震源及傳感器布置圖Fig.5 Layout of source and sensor×—震源點；●—無線傳感器

TRT探測結果如圖6所示，其中圖6a為側視圖，圖6b為俯視圖。根據圖像可以看出，掌子面前方存在兩處明顯的帶狀反射區(qū)域，推測可能為斷裂構造；在兩處帶狀反射區(qū)域之間存在大量隨機分布的不規(guī)則反射區(qū)域小塊，推測可能為破碎帶；在兩處帶狀反射區(qū)域之間且處于不規(guī)則反射區(qū)域下方，存在負反射能量特別集中的區(qū)域，推測可能含水構造發(fā)育明顯。根據以上分析和圖6所示，在掌子面前方50、70、90 m附近分別存在一個約70°的急傾斜面，負反射能量最強，推測可能是3個充水量較大的斷裂結構面，結構面幾乎貫穿整個成像區(qū)域(巷道中心線左右20 m，高程520～570 m)。

圖6 523水平測點探測圖像Fig.6 523 detection image of horizontal measuring point

表1 部分介質的波速和密度

根據TRT探測結果分析，巖體具體情況可分為三段，具體情況如表2所示。

結合地質資料及實際情況，可以發(fā)現通過TRT探測技術推斷的礦山地表1#水塘下方巖體破碎構造位置和范圍與礦山井下523水平巷道揭露頂部淋水區(qū)域基本一致(如圖7)，從而驗證了探測的準確性。另一方面由于技術原因，TRT探測所獲圖像解譯只顯示了探測巷道的兩翼方向20 m范圍的圖像，但反射體明顯大于該范圍，并在左側反映出更強烈負反射能量(裂隙帶或者斷裂構造更為明顯)且連續(xù)可見，因此可以推斷這幾個構造是由于從塌陷區(qū)位置向水塘方向發(fā)展形成。將TRT超前探測結果表明的探測點前方50～100 m處有裂隙構造的存在區(qū)域投影到地表，大致可以推斷出構造位于水塘西側。

表2 TRT探測結果及推論

圖7 TRT探測結果對比分析圖Fig.7 Comparison and analysis of TRT detection results

2.2 PulseEKKO PRO地質雷達系統(tǒng)

為了進一步獲得水塘下方是否存在不良構造的信息，在水塘與塌陷區(qū)之間的灘頭布置兩條測線開展地質雷達探測，以進一步驗證說明TRT探測結論。實驗設置a、b兩條長約38 m相距約3 m的平行測線，其中a測試方向為水塘往塌陷區(qū)方向，b與a方向相反。測試地為礦山治理水壩滲漏進行的泥土(石)覆蓋形成，其表面光整平坦，相關參數如表3所示。

表3 巖石和黏土電阻率、電導率及相對介電常數

導出測線數據后經濾波設置及軟件的處理分析，a、b兩條探測線的探測結果如圖8所示。為便于分析將雷達無損檢測結果圖中的異常區(qū)域作標識，圖中黑色區(qū)域為異常區(qū)，并分別編號。分析結果如下：

圖8 2號測區(qū)測線結果圖Fig.8 Results of line in survey area 2

1)由于a、b兩條測線的測量方向相反，因此b測線的起始位置對應a測線的結束位置。對比a、b測線的異常區(qū)可以發(fā)現：兩條測線在距離水庫2 m處和8 m處均存在異常區(qū)——即a和b測線結果圖中3#異常區(qū)與2#異常區(qū)，且兩條測線產生異常的深度均在地下6 m處，分析認為3#和2#異常區(qū)是由于地下存在裂隙或其他不良地質構造所致；a測線的1#異常區(qū)和b測線的1#異常區(qū)在位置上無對應關系，然而兩條測線僅相距3 m，理論上應該相差不大，因此認為這些異常的產生是由于在兩條測線的1#異常區(qū)的地下某處存在與土壤電阻率相差較大的雜質干擾，如石塊或金屬體等。

2)由于探測目標與周圍地質體電阻率相差較小，周圍環(huán)境存在電線、金屬管等干擾，探測深度較深造成探測結果分辨率降低等不利因素，因此探測分析結果受干擾影響會存在一定誤差。其中離地表6 m以內出現大量異常區(qū)為泥土(石)覆蓋層，可不考慮。

根據實驗結果可以發(fā)現，在水塘與塌陷區(qū)之間存在多處不良構造區(qū)域，具體位置在水塘邊往西側約33 m處(測線布置距水塘邊緣大致2 m，2#異常區(qū)距離測線東側距離31 m左右)，雖然探測深度僅為20 m，但異常信號明顯可以延伸至深部20 m以下。

2.3 綜合超前探測技術

根據兩種探測方式的分析結果分別表明：TRT探測技術在523水平探測巷道顯示前方90～100 m還存在三條約70°負反射能量最強的急傾斜面，并且范圍大幾乎貫穿整個成像面，由此推測為3個充水量較大的斷裂結構面，結構面幾乎貫穿整個成像區(qū)域，同時可知此斷裂結構面與巷道至地表有聯(lián)系；pulseEKKO PRO地質雷達探測技術表明在水塘與塌陷區(qū)之間存在多處信號異常區(qū)(具體位置在水塘邊往西側約33 m處)，異常信號明顯可以延伸至整個探測深度下，可以推斷出該區(qū)域存在多處明顯的大范圍不良地質體。兩種技術均表明水塘附近存在不良地質體，且根據現場檢測發(fā)現水塘存在滲水情況，進一步驗證了探測結果的準確性。

由于三大礦體在垂直方向上多層重復采動，形成上下空區(qū)群，礦山地壓控制工作困難。上部隔火礦柱由于民采和局部自然冒落已呈不完整狀態(tài)，穩(wěn)定性受到很大影響。造成了火區(qū)蔓延和地壓災害等安全隱患。多年來，銅坑礦投入了大量的人力物力進行事故隱患區(qū)的治理，使火區(qū)和地壓災害隱患基本處于受控狀態(tài)。但是，采場局部垮塌和采區(qū)巖層移動也時有發(fā)生，直到現在隱患仍然存在(圖9)，隨著時間的推移，控制安全隱患的難度愈來愈大，成本也愈來愈高。結合兩種探測結果的情況分析表明，T203塌陷坑至T110塌陷坑及整個坍陷區(qū)范圍內巖體發(fā)生了移動，塌陷區(qū)范圍在增加，上覆巖層發(fā)生了較明顯的移動和開裂，并向工業(yè)場地(水塘)方向有發(fā)展的趨勢。

圖9 巖層移動趨勢預測Fig.9 Prediction of strata movement trend

3 結論

本案例應用TRT6000超前地質預報設備、Pulse EKKO PRO地質雷達等手段，開展了礦山地質超前預測預報，實現了銅坑礦開采關鍵工程地質體性質(軟弱帶、破碎、帶斷層、含水層等)超前安全探測和成果解譯，根據關鍵地層層析掃描三位視圖成像較為精準地確定了水塘滲水位置，為后期防滲治理提供了有利的參考依據，保障了礦山的安全生產，主要結論如下：

1)從超前探測和地質雷達探測綜合分析的結果表明，探測區(qū)上方巖體存在裂隙構造帶的發(fā)育，弱化了巖體結構和穩(wěn)定性，并成為滲水的關鍵因素之一，與礦山了解的實際情況相符合，說明TRT在礦山井下的應用具有較高的實用價值。

2)從TRT探測技術在523水平TRT超前探測結果表明，礦山水塘下方存在3個比較明顯的巖體破碎構造帶，其位置和范圍與礦山井下523水平巷道揭露頂部淋水區(qū)域基本一致，可能為該位置滲水的關鍵影響因素。

3)從pulseEKKO PRO系統(tǒng)地質雷達探測結果表明，在水塘與塌陷區(qū)之間存在多處不良構造區(qū)域，具體位置在水塘邊往西側約33 m處，雖然探測深度僅為20 m，但異常信號明顯可以延伸至深部20 m以下。

4)探測結果推測一號水塘與塌陷區(qū)之間的巖層存在多處不良構造區(qū)域，表明T203塌陷坑至T110塌陷坑及整個坍陷區(qū)范圍內巖體發(fā)生了拉、壓、剪切的連續(xù)變形和非連續(xù)破壞。巖層移動乃至塌陷范圍將隨著空間和時間發(fā)生動態(tài)的變化，不斷發(fā)生的地表開裂和沉陷也說明了巖移的存在。