TRT與地質(zhì)雷達(dá)在馬坑鐵礦中的超前探測(cè)應(yīng)用研究

李欣洋, 吳超凡

(1.福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院,福建 福州 350108;2.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院,福建 龍巖 364012)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)對(duì)各類金屬的需求逐漸加大,經(jīng)過(guò)近幾十年的開(kāi)采,地下開(kāi)采已成為礦山發(fā)展的方向。[1]馬坑鐵礦屬于典型頂板巖溶水直接充水的大水礦床,礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造和巖溶發(fā)育,礦體埋藏深度大,涌水量大,礦區(qū)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜[2-4],這使得單一物探手段難以精準(zhǔn)解析巷道前地質(zhì)構(gòu)造的詳細(xì)情況。因此,為了避免超前探測(cè)的多解性影響探測(cè)結(jié)果,本文采用TRT-6000和地質(zhì)雷達(dá)兩種手段相結(jié)合的綜合物探方法,對(duì)馬坑鐵礦掘進(jìn)巷道前方進(jìn)行超前探測(cè),兩種手段相互對(duì)比、論證,提高探測(cè)精度,為實(shí)際工程提供可靠的地質(zhì)構(gòu)造情況,保障現(xiàn)場(chǎng)施工的順利進(jìn)行、施工人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。

1 綜合物探預(yù)報(bào)方法原理

1.1 TRT-6000檢測(cè)原理

作為一種較為新穎的物探技術(shù),TRT-6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的原理主要是借鑒電子信號(hào)學(xué)中的電阻抗概念[5],利用介質(zhì)的波阻抗(介質(zhì)密度與波速的乘積)差異來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)工作:當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ庥霾ㄗ杩勾嬖诓町惖慕缑鏁r(shí),會(huì)發(fā)生反射與透射現(xiàn)象,一部分地震波信號(hào)從界面反射回去,另一部分繼續(xù)向下透射進(jìn)入下一層介質(zhì)。波阻抗的變化通常與地質(zhì)巖層面或巖體界面不連續(xù)有關(guān)。通過(guò)分析高靈敏度傳感器所接收的來(lái)自掌子面前方的地震波反射信號(hào),可以對(duì)巷道掘進(jìn)掌子面前方的異常地質(zhì)體(如斷層破碎帶、富水帶、軟弱帶等)的位置深度和規(guī)模大小做出預(yù)報(bào)工作。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:R為地震波反射系數(shù);V1、V2為地震波在不同巖性介質(zhì)中的傳播速度。

由式(1)可知,當(dāng)上下層介質(zhì)的波阻抗存在差異的時(shí)候,地震波將在上下層介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生反射回波,故嚴(yán)格來(lái)說(shuō),速度差異界面不一定會(huì)發(fā)生反射回波,波阻抗差異界面才是介質(zhì)的反射界面。由上式可知,若介質(zhì)2的波阻抗大于介質(zhì)1(即介質(zhì)2為高阻抗物質(zhì),介質(zhì)1為低阻抗介質(zhì)),反射系數(shù)為正值;反之,反射系數(shù)為負(fù)值。因此,由上式我們可得出:當(dāng)介質(zhì)1的巖性十分破碎,接近空氣時(shí),上式中的ρ1V1無(wú)限趨近于0,則可計(jì)算出R無(wú)限趨近于1,即發(fā)生地震波全反射現(xiàn)象,地震波能量無(wú)法穿透介質(zhì)2;反之,當(dāng)介質(zhì)2的巖性十分破碎、接近空氣時(shí),上式中的ρ2V2無(wú)限趨近于0,R則無(wú)限趨近于-1,此刻地震波發(fā)生全透射現(xiàn)象,地震波沒(méi)有能量返回。

TRT系統(tǒng)通過(guò)布置在掘進(jìn)巷道兩幫側(cè)壁和拱頂?shù)炔课坏亩鄠€(gè)高靈敏加速度傳感器接收震源激發(fā)的彈性地震波信號(hào),并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解譯工作,最終得到物探成果。TRT系統(tǒng)的傳感器采集數(shù)據(jù)原理如圖1所示。

圖1 TRT-6000超前探測(cè)原理圖

1.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)的頻率介于106至109Hz,與地震波類物探手段相比,其優(yōu)勢(shì)是自身電磁波具有高頻率的特性,因此相較于地震波類物探手段具有較高的分辨率。其原理是利用介質(zhì)的電性差異,使得地質(zhì)雷達(dá)在傳播過(guò)程中遇到不同電性的地質(zhì)體會(huì)發(fā)生反射,通過(guò)分析回波信號(hào)的波形和強(qiáng)度等特征參數(shù)來(lái)判斷前方目標(biāo)體的幾何形態(tài)和位置,在巷道迎頭前方0～30 m范圍內(nèi)探測(cè)構(gòu)造、精度較高。但是由于頻率高,信號(hào)衰減快,超前探測(cè)距離有限,對(duì)工程施工干擾較大等不足也比較明顯。[6-8]

對(duì)于地質(zhì)異常體精確探測(cè)深度確定,若接收和發(fā)射天線間距x與穿透深度X滿足x?X,則雷達(dá)對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)深度計(jì)算公式,可由公式(2)來(lái)計(jì)算得出。

(2)

式中:X為穿透深度,m;V為電磁波在各類介質(zhì)中的傳播速度,m/ns;T為電磁波在各類介質(zhì)中的雙程走時(shí),ns。

1.3 數(shù)據(jù)解釋原則

1.3.1 TRT數(shù)據(jù)解釋原則

TRT-6000超前體制預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果主要依托對(duì)三維層析掃描圖和二維波速的分析和判斷,這兩種圖都是來(lái)源于地震波的反射信號(hào)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō):通過(guò)反演計(jì)算所得的三維圖由兩種顏色(黃和藍(lán))構(gòu)成,它們分別代表不同波阻抗的地質(zhì)體,判斷原則為:若出現(xiàn)藍(lán)色區(qū)域,則表示該區(qū)域波阻抗較低,地震波穿過(guò)該區(qū)域發(fā)生了低阻反射,該區(qū)域的圍巖較為破碎、完整性較差或存在含水構(gòu)造;若出現(xiàn)黃色區(qū)域,則表示該區(qū)域波阻抗較高,地震波穿過(guò)該區(qū)域發(fā)生了高阻反射,該區(qū)域的圍巖較為堅(jiān)硬或完整性良好。

1.3.2 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋原則

地下介質(zhì)的介電常數(shù)差異是地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的重要依據(jù),而不同地質(zhì)體的特征電磁波形正是由于介電常數(shù)不同所產(chǎn)生的。因此,在對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯解釋時(shí),所依據(jù)的方法原則,便是不同異常地質(zhì)體的特征波形差異,如:

(1) 斷層破碎帶:破碎帶的波形以中低頻信號(hào)為主,波形雜亂,多呈帶狀分布等;

(2) 富水帶:由于水的介電常數(shù)最大(81),且?guī)r層介電常數(shù)差異較大,電磁波在富水的介質(zhì)中傳播速度明顯降低,因此呈現(xiàn)出均勻的低頻信號(hào),信號(hào)變低,變化較快,同相軸連續(xù)均一,呈層面反射狀,振幅強(qiáng),波形相對(duì)較均一,較容易產(chǎn)生多次振蕩。[9-12]

2 預(yù)報(bào)實(shí)例

2.1 地質(zhì)調(diào)查

本次超前探測(cè)位于龍巖市馬坑鐵礦礦區(qū)18分段85-2探礦巷,在井下巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)巷道巖性為石英細(xì)砂巖,灰白色,砂狀結(jié)構(gòu),塊狀,碎屑物為石英,硅質(zhì)膠結(jié)為主,次為泥質(zhì),碳酸鹽化及綠泥石化,具有弱鉀化和黃鐵礦化,局部裂隙見(jiàn)星點(diǎn)狀的輝鉬礦化。掌子面掘進(jìn)前方的前部為透輝石-磁鐵礦,顏色為鐵黑色,微細(xì)粒,為稠密浸染狀構(gòu)造,次為反斑雜狀,礦石礦物為磁鐵礦,脈石礦物主要為透輝石,呈斑點(diǎn)狀及團(tuán)塊狀,有少量石榴石、方解石、少量石英、方解石細(xì)脈穿插;掘進(jìn)前方的后部為矽卡巖,以透輝石為主,黃綠色,裂隙為石英細(xì)脈充填,下部具若赤鐵礦化,沿裂隙見(jiàn)赤鐵礦及綠泥石,如圖2所示。

圖2 巷道地質(zhì)概況

2.2 TRT超前探測(cè)

2.2.1 TRT-6000探測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)布置

TRT的震源和檢波器采用分布式全空間立體布置方式,具體布置方法如圖3所示。

圖3 震源和檢波器的布置方法

2.2.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行TRT超前探測(cè),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析解譯可得原始波形圖(圖4)、波速(圖5、圖6)、三維成像圖(圖7～圖9)。

圖4 原始波形圖

圖5 波速圖(掌子面在圖中35處)

圖7 三維成像圖(俯視圖)

圖8 三維成像圖(側(cè)視圖)

圖9 三維成像圖(立體圖)

根據(jù)以上圖像,結(jié)合前人總結(jié)的礦區(qū)地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)巷道掌子面地質(zhì)編錄情況,并參照不同地質(zhì)異常體的地震波特征和TRT圖像特征,可得出綜合解析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 TRT-6000三維圖像綜合結(jié)果匯總表

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

2.3.1 測(cè)線布置方法及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

(1) 由于各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)掌子面高寬基本一致,因此每個(gè)測(cè)點(diǎn)按照距離地面1.5 m左右處并且間隔10 cm/道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè),具體測(cè)線如圖10所示。

圖10 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

(2) 地質(zhì)雷達(dá)采集模式采用點(diǎn)測(cè)方式,采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)/道,時(shí)窗設(shè)置為630 ns,深度范圍150 cm,掃描速度為256道/s,介電常數(shù)設(shè)置為9.0。

通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可得85-2探礦巷波形圖如圖11所示,共測(cè)得41道數(shù)據(jù),測(cè)深為30 m。

圖11 85-2探礦巷地質(zhì)雷達(dá)波形圖

根據(jù)圖11地質(zhì)雷達(dá)波形圖像,結(jié)合前人總結(jié)的礦區(qū)地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)巷道掌子面地質(zhì)編錄情況,并參照不同地質(zhì)異常體的雷達(dá)波形圖像特征,可得出綜合分析如下:

掌子面前方0～15 m范圍內(nèi)波形雜亂,2 m、5 m、10 m處附近同相軸錯(cuò)斷明顯,15 m后能量衰減快較快,推測(cè)0～15 m圍巖破碎,裂隙發(fā)育,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,推測(cè)前方局部裂隙水發(fā)育。15～30 m局部見(jiàn)少量雜波,推測(cè)該范圍內(nèi)存在少量節(jié)理裂隙。

3 開(kāi)挖驗(yàn)證對(duì)比

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證,巷道局部節(jié)理裂隙發(fā)育,有滴水和淋水情況,在距離探測(cè)點(diǎn)前方約50 m位置巷道頂板側(cè)有裂隙發(fā)育,巖石穩(wěn)定性差,裂隙聯(lián)通著靜態(tài)水溶洞,水質(zhì)渾濁,含泥沙。

4 結(jié)論與展望

(1) 由于馬坑鐵礦中礦石礦物多為石榴子石磁鐵礦,其自帶磁性,若是探測(cè)前方為礦物采掘巷道,易對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果造成較大影響,且對(duì)于開(kāi)挖驗(yàn)證中提及的巖溶構(gòu)造,由于受到探測(cè)深度以及掌子面寬度的影響,對(duì)于巖溶構(gòu)造的預(yù)報(bào),單靠地質(zhì)雷達(dá)無(wú)法對(duì)巖溶構(gòu)造做出有效的預(yù)報(bào),因此,只采用一種探測(cè)方法進(jìn)行超前探測(cè),容易造成數(shù)據(jù)多解性,引起較大誤差。結(jié)合多種探測(cè)手段,綜合解析,能夠提高精準(zhǔn)度,得出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。

(2) 地質(zhì)雷達(dá)與TRT技術(shù)擁有截然不同的優(yōu)劣勢(shì),二者結(jié)合,可有效發(fā)揮“長(zhǎng)短結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖驗(yàn)證,證明這種結(jié)合手段對(duì)于鐵礦巷道中構(gòu)造和含水等方面有著較好的預(yù)報(bào)效果,可為類似金屬礦山巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供一定的參考。

(3) 目前,TRT-6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的震源是通過(guò)錘擊來(lái)產(chǎn)生地震波,這對(duì)于接受傳感器的靈敏度有很高的要求,但是傳感器的靈敏度與可接收的外界干擾噪聲能量成正比,因此如何在提高靈敏度的前提下降低干擾,是目前亟待解決的問(wèn)題之一。