TSP技術(shù)在礦山井巷掘進及采礦生產(chǎn)中的應用

劉建喜　班林杰　張海濤

摘要：TSP技術(shù)在隧道預報中具有無法比擬的地位，如今已經(jīng)被廣泛應用于采礦生產(chǎn)和礦山井巷掘進中。由于TSP技術(shù)能及時預報不良地質(zhì)帶，準確提供預報，避免了安全事故發(fā)生也降低了工程成本。文章以TSP技術(shù)的工作原理為主，淺析了采礦生產(chǎn)和礦山井巷掘進過程中的具體應用。

關(guān)鍵詞：TSP技術(shù)；礦山井巷掘進；采礦生產(chǎn)；安全事故；超前預報 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD26 文章編號：1009-2374（2015）04-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0313

眾所周知，采礦生產(chǎn)與礦山井巷掘進經(jīng)常會受到環(huán)境影響和地質(zhì)影響，出現(xiàn)安全事故隱患。因此，開發(fā)地質(zhì)預報技術(shù)勢在必行。多年來，國內(nèi)外對相關(guān)技術(shù)進行了諸多研究，電磁法、機械鉆探法以及遠紅外線等方法都已經(jīng)退出歷史舞臺，地震法逐漸向超前預報過渡。超前預報的主流方式包括以下幾種：TST、HSP、TGP、TSP等。在西方國家，TSP已經(jīng)有了多年的應用歷史，并不斷改進升級。只有不斷加強超前預報的準確性，才能讓TSP技術(shù)在采礦生產(chǎn)與礦山井巷掘進中發(fā)揮最大效能。

1 TSP超前預報工作原理

由于礦山地質(zhì)環(huán)境復雜，在開采施工過程中經(jīng)常會遇到破碎帶、不良地質(zhì)等方面影響。隨著開采力度的不斷加大，安全事故也屢屢發(fā)生。受到地質(zhì)環(huán)境影響，也增加了開采難度。在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)涌水、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，這就需要在掘進過程中增加超前支護措施。其中，安全系數(shù)和掘進速度取決于巖石的巖質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造，準確查出實際地質(zhì)情況并采取有效施工方式尤為重要。但由于不同地質(zhì)中存在不同巖體特征，這就需要在掘進生產(chǎn)過程中增加地質(zhì)超前預報。目前超前探測的方法多種多樣，但傳統(tǒng)方式不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求，且費用高速度慢，因此開發(fā)超前預報系統(tǒng)勢在必行。

圖1 TSP超前預報工作原理圖

瑞士安博格公司研發(fā)的TSP超前預報系統(tǒng)，具有預報距離長、適用范圍廣以及數(shù)據(jù)處理簡單且無施工干擾等特點，在復雜地質(zhì)預報中，有較強的應用效果。其利用地震波反射原理，需要人工制造地震震源，并通過接收器和傳感器接收并分析處理數(shù)據(jù)。具體工作原理如圖1所示。

通常情況下，采用小劑量炸藥進行爆破，通過震波沿著巷道剖面?zhèn)鞑シ绞竭M行球面?zhèn)鞑?。當波動遇到巖體阻礙時就會發(fā)生折射或反射，反射引號的信息被地震檢波器接收記錄。同時，由于折射波會一直傳播，遇到不同介質(zhì)過程中會產(chǎn)生不同的折射反應。通過分析反射波或折射波時間曲線，可以計算出斷層或巖層的距離和位置。利用TSP配套軟件進行數(shù)據(jù)評估，可以得出需要的數(shù)據(jù)參數(shù)，如泊松比、巖石密度等。TSP還可以發(fā)現(xiàn)井下的斷層以及含水帶和災害帶等地質(zhì)環(huán)境，精確度一定達到了200m。利用TSP預報技術(shù)進行采礦生產(chǎn)或礦山開采，能減少意外險情，減少事故隱患，增加可預見性。在預報過程中，TSP技術(shù)依據(jù)是地震波的回波，當人工進行地震波激發(fā)時，會產(chǎn)生一定程度的震源，并通過球形的方式散播。當遇到不良地質(zhì)時會產(chǎn)生反射波，接收器會及時采集反射波。通過對回撥信號的計算，針對其延遲時間、速度以及強度和波形進行分析，判斷地質(zhì)帶的分布和性質(zhì)。同時，接收點與炮點位于同一平行線上，方便數(shù)據(jù)收集和整理，在精度上也達到了使用標準，但對斷層產(chǎn)狀、波速以及位置等方面的判斷還有待加強。

2 TSP技術(shù)在礦山中的應用路線

傳統(tǒng)井巷掘進以鉆爆的方式為主，但在施工過程中，鉆孔和爆破往往會出現(xiàn)冒頂、涌水以及塌方的事故，嚴重影響施工人員安全。為了預防發(fā)生嚴重事故，通常以超前支護的方式進行掘進。合理支護的前提是地質(zhì)預報，因此，采礦生產(chǎn)和施工過程中，都是由經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為支撐參數(shù)，沒有一定的準確性和針對性。

2.1 前期準備

根據(jù)井巷軸線和巖層情況，布置傳感器和炮點，對炮孔和傳感器參數(shù)進行復測，將接收炸藥、套管以及雷管安裝到位。裝好防水炸藥后用水填充，并連接記錄單元與傳感器，其中雷管為瞬發(fā)雷管，裝藥方式為耦合

裝藥。

2.2 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)記錄單元設(shè)置采集參數(shù)，連接信號觸發(fā)器和起爆系統(tǒng)。記錄單元測試環(huán)境為噪音檢測模式，依次激發(fā)震源炮點進行信號采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將采集到的地震數(shù)據(jù)，利用TSP軟件進行處理，找到S波與P波的分布規(guī)律，再利用數(shù)據(jù)包處理其他流程，詳見圖2所示。提取數(shù)據(jù)結(jié)果，并模擬地震反射層的2d/3d巖石力學參數(shù)和空間分布結(jié)構(gòu)。

圖2 TSP win數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 數(shù)據(jù)破譯

作為地質(zhì)預測的核心，數(shù)據(jù)破譯是通過巖層反射波的傳播速度，將反射波向深度或距離信息轉(zhuǎn)換，并通過井巷面距離和井巷軸線確定地質(zhì)界面的規(guī)模和空間。結(jié)合S波和P波就能判斷出巖體性質(zhì)，通過對密度值的計算可以算出巖體彈性、泊松比以及巖石密度等信息，根據(jù)圍巖級別確定工程類別。同時，也能判斷圍巖穩(wěn)定性，根據(jù)數(shù)據(jù)隨時調(diào)整支護類型或修改設(shè)計，確定二次襯砌時間。

3 TSP技術(shù)在礦山中的應用優(yōu)勢

根據(jù)2D分布圖以及力學參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)學知識及勘探原理，能判斷圍巖性質(zhì)、圍巖位置以及圍巖規(guī)模。預報即將施工范圍內(nèi)是否會出現(xiàn)突泥、突水等災害，并針對災害性質(zhì)對采礦生產(chǎn)以及施工提出有針對性的建議和措施。同時，TSP還能根據(jù)3D視圖直觀的模擬巖層分布情況，及時預報不良巖層的性質(zhì)、位置以及空間大小，為判斷穩(wěn)定性和是否存在充水斷層提供相應對策。

當處理地震波過程中，勘探原理能對地質(zhì)性質(zhì)和規(guī)模進行詳細分析，其中包括含水情況、巖石代以及斷層和裂縫發(fā)育帶等。在實際應用經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)情況較好時，TSP預測精度高達200m。在探測過程中，要掌握暗河、溶洞等不良地質(zhì)特征，分析TSP效果圖上的表現(xiàn)方式，為破譯奠定良性基礎(chǔ)。同時，在進行礦山地質(zhì)預報過程中，可以確保持續(xù)性井巷挖進，確定施工工藝的同時，根據(jù)TSP效果圖上的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整支護參數(shù)，對軟弱巖層進行加固，為采礦施工和安全生產(chǎn)提供技術(shù)，也為更改技術(shù)方案提供便利條件。

4 結(jié)語

綜上所述，通過預測和預報能減少施工的盲目性，避免在施工過程中出現(xiàn)不良地質(zhì)災害，根據(jù)現(xiàn)場結(jié)果及時調(diào)整施工方法，使得施工過程更加科學合理。隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，地質(zhì)超前預報的精度也越來越高，為礦山安全提供了重要保障。TSP技術(shù)一直以其獨特的優(yōu)越性獲得眾多工程的青睞，作為可靠的地質(zhì)預測技術(shù)，在未來礦產(chǎn)安全生產(chǎn)中，必能成為礦山工程施工的重要組成部分，保障礦山生產(chǎn)施工的安全性。

參考文獻

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作者簡介：劉建喜（1978-），男，江蘇徐州人，山東省濟寧市金橋煤礦高級工程師，研究方向：掘進巷道技術(shù)。

（責任編輯：秦遜玉）