高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测.pdf

第39卷第2期 2017年3月 物 採 化 採 订 异 技 木 COMPUTING TECHNIQUES FOR GEOPHYSICAL AND GEOCHEMIC八L EXPLORATION Vol. 39 No. 2 Mar. 2017 文章编号文章编号1001-1749201702-0188-07 高瓦斯隧道穿越煤系地层段T S P 法超前探测 高树全 中铁二院成都工程检测有限责任公司， 成都 610031 摘 要 摘 要 地震波反射法（TSP法） 因兼具探测距离远和分辨率高的特点， 在隧道超前地质预报中 得到广泛应用。但是一直以来TSP法在高瓦斯隧道煤系地层段的应用相对较少， 处于被弱化的 位置。这里首先分析了影响TSP法在煤系地层段实施的因素， 然后提出相应的对策提高TSP 法在煤系地层实施的高效性， 最后结合同一高瓦斯工区的两个典型案例， 对比分析地震波波速、 泊松比和弹性模量等物理力学参数的变化规律， 探讨地震波相关参数异常和煤层分布范围的对 应关系。结果表明， 地震波低速异常区和高泊松比特征可判释厚煤层的大致分布范围，TSP法 对煤层的有效探测， 能为超前钻孔验证提供重点靶区， 对隧道施工掘进创造有利条件。 关键词高关键词高瓦斯； 煤系地层；TSP法； 超前地质预报 中图分类号中图分类号 P 631.4 文献标志码文献标志码 A DOI10. 3969/j. issn. 1001-1749. 2017. 02. 06 〇 刖目〇 刖目 瓦斯爆炸是隧道施工过程中最严重的灾害之 一， 危害极大。煤系地层隧道超前地质预报的主要 对象是对煤层和瓦斯的预报。一般而言， 煤层越厚， 煤的煤化程度越高， 产生的瓦斯也越多。对于直接 穿越煤系地层的隧道， 煤层的超前探测尤为重要。 煤层瓦斯预报应以地质调查法为基础， 以超前钻探 法为主， 结合多种物探手段进行综合预报[1]。但是， 现行的铁路瓦斯隧道技术规范中， 煤层探测只提到 超前钻孔[2]， 在隧道施工过程中， 受各方面因素影 响， 参建单位大多采用较直接、 直观的超前钻探法对 煤 层 瓦 斯 进 行 探 测 ， 对物探法煤层超前探测重 视程度不够。 煤系地层有别于煤层， 如果隧道穿越煤系地层 段落较长， 由于地质不确定因素， 煤系地层段落存在 勘探期间未发现的煤层， 超前钻孔一孔探测不足以 了解掌子面前方的煤层瓦斯情况， 多孔循环探测又 会造成投资增加、 施工工期紧张。鉴于此， 煤层探测 可首选较成熟的长距离地震波反射法（ 如TSP法） ， 确定煤层在隧道的大致位置和厚度， 为超前钻孔验 证提供重点探测区域， 从而有针对性的优化超前钻 孔对煤层进一步详探， 防止误揭煤层造成煤与瓦斯 突出。在理论研究和实际应用中， 武威等[6]对煤巷 地震超前探测进行数值模拟， 认为地震波法适用于 层状煤层探测， 精度高； 赖伟清等[7]采用TGP法（ 地 震波法的一种） 对公路隧道煤层瓦斯进行探测； 刘杨 等[8]在高瓦斯隧道首选长距离的TSP法对瓦斯裂 隙带进行探测r汪志军等[9 ]对煤体瓦斯与地震波属 性进行相关性研究， 认为松散破碎煤体较正常煤体 瓦斯含量高， 地震纵横波速度慢， 泊松比增大； 何 继善等[1]研究了瓦斯突出地球物理场的弹性波 速响应特征， 认为瓦斯突出煤体的泊松比大于非 突出煤体。笔者对比分析了 TSP法 ， 在煤系地层 段超前探测的两个应用案例。 收 稿 日 期 2016-12-24 改 回 日 期 2017-03-10 第 一 作 者 高树全（1984 ， 男 ， 工 程 师 ， 主 要 从 事 工 程 物 探 方 面 工 作 ，E-mailgaoshuquan_2006163. com。 2 期高树全 高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测189 1影 响TSP在煤系地层实施的因素 影响TSP法在煤系地层实施的因素主要包括 3 个方面 1 . 1 安全方面 高瓦斯隧道施工揭煤， 采用远距离起爆或洞外 起爆，TSP法数据采集需要炸药激发产生地震波， 且仪器操作主要在掌子面后方几十米范围进行， 隧 道参建各方对高瓦斯段落使用雷管、 炸药有所顾忌。 现行的铁路隧道超前地质预报技术规程已有说明， 超前地质预报工作采用非防爆型时， 在仪器设备及 操作空间20 m范围内瓦斯浓度必须小于1 。施 工实际过程中， 一般要求爆破地点20 m范围内， 洞 内回风流中瓦斯浓度必须小于〇 . 7 5 ， 甚至小于 0.5， 瓦斯浓度满足现行技术规程要求。另外， 施 工揭煤采用洞外起爆， 主要是考虑到隧道掌子面爆 破之后， 可能造成大量的瓦斯涌出， 造成安全隐患。 但是，T S P法是以小药量的炸药产生地震波， 对围 岩的破坏影响较小， 不会造成瓦斯的大量涌出。 1.2 TSP法结论指导煤系地层施工的针对性不够 TSP法数据处理及资料解译需要有经验的物 探专业工程师， 目前从事超前预报工作的单位较多， 预报人员水平参差不齐。如果对物探异常解译不够 造成漏报就不能有效规避施工掘进风险； 如果对物 探异常过度解译， 造成“ 草木皆兵” 现象， 又会让施工 方无从有效选择。 1.3 TSP法不如超前钻探法直观 相对于超前钻探法，TSP法属于间接预报方 法， 报告结论中的物探异常需要进一步钻探验证。 超前钻探法则更直接、 直观， 探测结果不仅可计算煤 层厚度、 倾角、 走向及与隧道的关系， 钻孔还可用于 测定瓦斯相关参数。 2提 高T SP法在煤系地层有效实施 的对策 根据T S P法的探测原理， 从设计角度考虑， 煤 矿以采煤为目的， 煤矿巷道系统一般沿煤层布置， 隧 道则尽量以最短距离穿过煤层， 隧道设计有利于 TSP法传感器接收反射波信号。在具体实施过程 中， 可从以下三方面提高TSP法在煤系地层段落实 施的有效性。 1 持续稳定的通风， 使瓦斯浓度稳定且小于 0.75或0.5。TSP法实施过程中， 瓦检员全 程跟踪检测瓦斯浓度， 当瓦斯浓度超标或出现异常 时， 可紧急处理， 便于随时撤离危险区域。瓦斯段的 TSP法数据信号激发， 必须采用煤矿许用炸药， 有 瓦斯突出地段， 必须使用安全等级不低于三级的煤 矿许用含水炸药， 雷管必须使用煤矿许用瞬发电雷 管或煤矿许用毫秒延期电雷管。使用煤矿许用毫秒 延期电雷管时， 最后一段的延期时间不得超过130 m s。 2 充分利用勘察设计资料， 收集整理掌子面地 质素描资料， 及时跟踪隧道开挖信息， 使TSP法实 施有的放矢。由于掌子面附近容易聚集瓦斯， 建议 靠掌子面的第一个炮孔距离掌子面20 m。务必保 证每个炮孔倾斜向下（ 建议角度约20， 利于进行 水封炮孔， 使炸药包和围岩有好的耦合效果， 同时达 到消焰和降尘的目的。在软弱、 破碎岩层等成孔条 件较差的段落， 炮孔即时实施填装炸药包或对炮孔 作特殊处理如PVC管支撑等） ， 避免塌孔， 保证炸 药包能填装到炮孔的底端。超前预报单位， 必须配 备专业的物探工程师和地质工程师， 充分解译物探 异常， 提高TSP法结论对超前钻探的指导意义。 3 虽然超前钻探结论更直观， 但也存在一孔之 见、 成本高（ 特别是取芯钻孔） 和占用施工时间的问 题;另外， 有经验的超前钻探司钻人员较少， 缺乏对 钻探资料的判读， 一般需要有经验的专业队伍实施。 TSP法兼具探测效率和经济的优势， 和超前钻探法 形成互补的有利条件。 3 TSP探测案例分析 施工图设计时， 根据地勘钻孔、 附近煤矿等资料 在施工图上标示了可能遇到煤层的位置， 但施工过 程中， 揭示煤层的实际里程可能与设计存在偏差。 另外， 由于地质的不确定性， 煤系地层段落存在勘探 期间未发现的煤层。一般来说， 煤层结构松散， 煤岩 原生、 次生裂隙发育。根据煤与瓦斯突出机理可知， 在相同的地质条件下， 破碎松散煤体瓦斯含量较正 常煤体要高。当煤体富含瓦斯时， 煤体松散、 破碎使 纵、 横波传播速度降低。通过分析纵、 横波等参数的 变化， 可实现对隧道掌子面前方煤层瓦斯的探测。 3 . 1隧道工程地质概况 隧道穿越龙潭组煤系地层， 岩性主要有灰岩、 硅 质岩、 页岩、 炭质页岩、 砂岩夹煤层， 地层岩性复杂， 190物探化探计算技术3 9 卷 图1 隧 道 煤 层 、 煤 线 分 布 情 况 及 第1次 TS P实施示意图 Fig. I Coal seam, eoal line distribution and the first.iSP irnplementation 综合分析图2〜 图 4 P波 、SH波 和SV波速度 分析图， 隧道掌子面前方约26 m出现地震波速下 降趋势*_子面前方26 ni〜46 m及隧道周边.20 m 范围总体呈现低速异常， 其中横波低速异常区域较 为明显， P波波速在对应位置隧道周边5 m〜20 m 范围有所降低， 在靠近隧道轴线位置变化不大。纵 、 横波波速总体变化情况为P波 波 速 从 3 075 m/s 下 降 到 2 946 m/s，SH波 速 从 1 771 m/s下降到 1 650 m/s，SV 波波速从 1 7.34. m/s 下降到 1 580 m / s Q 闺 2〜 圈 4.中， 横坐标_亦隧道掘进方向， 纵坐 标表示隧道及燧道周边； 红色区域表示地震波速度 高 ， 蓝色区域表示地震波速度低。 Xlm 4 0 2〇 4〇 6〇 8〇 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 月〇月〇 -20 - 4 0 图2 P波速度分析成果图 Fig. 2 P wave velocity analysis - ......................... -随 道 及 轮 廓 到........... Fp/m s“1 ■ 4 6 0 0 3 4 0 0 12200 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 KSH/m s1 ■ 2 4 7 0 1 9 2 0 ■ 1 3 7 0 图3 SH波速度分析成果图 Fig. 3 SH wave velocity analysis Xlm _ 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 4-Of i i i i lj Ksv/m s“1 ■ 2 4 4 0 图4 SV波速度分析成果图 Fig. 4 SV wave velocity analysis 图 5 为 第 1 次fS P法预报反射层位及物理力 学参数成果图。结合速度分析图和反射层位分布特 征 ， 推测掌營面前方26 m〜46 m存在物探异常， 该 异常段围岩泊松比从〇 . 2 7 增 大 到 0. 32,动态杨氏 模 量 从 1 8 降 低 至 15,局部存在波动变化。结合地 勘资料和当前掌子面情况， 推测掌子面前方26 m〜 46 m即对应里程DKU4 3〇 0〜 28〇段围岩完 整性变差， 岩体破碎， 裂隙发育， 存在软弱夹层（ 如煤 层等） ， 局部含水， 建议施工单位在DK474310之 前加强超前钻探进一步探测验证。 3. 2. 2 超 前 钻 孔 验 证 及 施 工 揭 示 情 况 在D3 K4 M十 3 3 Q实 施 3 孔超前钻孔， 钻孔孔内 未检测到瓦斯， 个别孔内返水黑色， 开挖揭示为煤奸 石或炭质页.奢。施 工 掘 进 25 m之后.， 在DK474 305掌子面再次实施3 孔超前水平钻孔， 深度均为 30 m， 超细探孔返水虽黑.色， 冲舎声沉_闷， 局部存在 突进现象， 3 个钻孔测试瓦斯浓度最大值分别为 0. 2 8 、 0. 2 2 、 和 0. 2 2 。随后， 在 DK474 301 掌子面揭示页岩、 炭质页岩和煤矸石， 掌子面右侧拱 脚出现鸡窝状煤层。在DK474 291完全揭示煤层 图 6， 煤层走向与隧道呈66交 角 ， 煤 层 倾 角 21 煤层寫厚为2 m〜6. 5 m， 隧道穿越煤层长度达20 m以上（ 对应里程约DK474 30l| 2 7 6 段） 。 3, 3第 2 次超前预报情况及施工反馈 3, 3.1 超 前 预 报 情 况 隧道完全穿越DK474 2 9 1 煤层之后， 继续往 小里程方向掘进， 隧道掘进过程中掌子面偶有煤线 软硬不均， 地层中的炭质页岩等软质岩极易软化， 软 化后呈沙土状。预报里程段可溶岩和碎屑岩相问， 岩溶弱发育， 构造发育。根据地勘钻孔资料， 隧道穿 越的龙潭组煤系地层， 综合判断为高瓦斯隧道， 预报 里程段馬高瓦斯工区。 3. 2第 1 次超前预报情况及施工揭示 3. 2.1 超 前 预 报 情 况 隧道往小里程方向掘进， 根据施工图设计， 在 DK474 380〜 350段遇煤层（ 图 1， 煤层厚度约 1. 0 m， 该段实际揭示煤线和煤层， 煤层厚度最大值 小f0.3m。当隧道掘进至DK474 328时， 实施 第 1 次TSP法超前预报， 往小里程方向探测。 设 计 遇 煤 线 段设]矛遇煤 层 段 第 1 次T S P买施里t 1 \隧道掘 进 方 向 0 8 寸卜sa 0 寸卜2a 8 S 寸卜sa 寸 of寸卜sa 2 期高树全 高瓦斯隧道穿越煤系地层段丁SP法超前探测191 图7 隧 道 煤 层 、 煤 线 分 部 情 况 及 第2次 TSP实施示意图 Fig. 7 Coal seam, coal line distribution and the second TSP implementation 图8 P波速度分析成果图 Fig. 8 P wave velocity analysis Fig. 9 SH wave velocity analysis 图6 DK474B91掌子面煤层照片 Fig. 6 DK4flr291 face photo 出现， 根据施工图设计，DK474 220〜 128段隧 道穿越煤线。菌隧道掘进至DK474 214时， 循环 搭接实施第2 次TSP法超前预报图7， 往小里程 方向探测在软质岩煤系地S围岩中， 横波在 煤层段的波速变化相对P波较为敏感。煤晨段落 围岩地震波波速 . 特别是横波） 降低和持续的高泊松 比增高特征9是隧道煤层分布及煤层瓦斯富集有意 义的参考. 笔者的案例有限， 旨在提高TSP法在煤系地层 实施的高效性。呼吁隧道参建各方重视地震波反射 法在煤系地S段落的实施。待卖施案例更多时， 统 计分析地震波相关参数与瓦斯突出之问的联系， 开 展隧道煤层瓦斯地囊类非接触式瓦斯突出预测， 是 今后进一步研究的方向。 集环境*对比分析两次超前预报案例非常有意义。 两 次TSP法对煤层的成功预报， 都具有较好的探测 条件 ①煤层走向和隧道呈大角度相交（ 约 6S;② 煤层具有可被探测的规模， 煤层淳度分别达到6. g ni和 3. 9 煤肩穿越隧道段落较长|需要特别 注 意 的 是 第1次预报中， 参 建 各 方 对TSP法资料 的重视程度不够， 超前钻探实施单位对钻孔资料的 认识不足， 存在误揭煤层的安全隐患。 2两次预报， 煤层段落菌岩物理力学参数变化 情_况如表1 所示 根据表1， 结合前文对隧道周边20 m范围内纵 横波波速宏观分布特征的分析得出； 第 1 次预报中. 煤 层 段 、Vsu和Vsv分 别 下 降 4. 2 6. 8 和 8. 9 ;第 2 次预报中， 煤 层 段 心 、VS„和Vsv分别下 降 5 , 7 、 13.2和12,8/“ 两次预报， 煤层段落虜 岩地震波纵横波速度均有不同程度降低， 其中横波 波速下降幅度相对较大尤 其 是DK474 i n煤层 段落） ， 说明横波的下降变化趋势对煤层更为敏感。 另一方面， 煤层段落围岩柏松比均有不同程度增加， 且泊松比均大宁〇 . 3。 第 1 次预报中， 在入煤层-段 落之前前1 . 0 15 ns里程菹围， 泊松比变化不.大. ， 旦处于相对较低的值〇 . 27;第 2次 预 报 中 ， 在进人 表1 . 煤 层 段 落 两 岩 理 力 学 参 歲 史 . 化 情 况 Tab. 1 Changes of phtsical and mechanical parameters of surrcturding rock in coal seam 预报情况 各参数变化情况 Vp/m s_1VSH/m s_1Vsv/m s_1 泊松比 第一次预报 3075〜29461771〜16501734〜15800.27 〜0.32 第二次预报 3081〜29061796〜15591786〜15580.32 〜0.38 煤层段落之前的10 m〜15 m里程范围， 泊松比呈现 遂 渐 增 大 最 势 有效 利用TSP法成果， 结合超前钻探资料， 能准确探测煤 层瓦斯情况,控制施工风险， 从而提高施工效率 4 .结论 D持续稳定的通风， 控制瓦斯浓度， 充分利用勘 察设计和隧道开挖地质信息， 做好物探异常解译， 发 挥TSP法方法优势*是 提 高*TSP法在隧道煤系地 层段有效实施的途径。 2当煤层走向和隧道呈大角度交角， 且媒层厚 度具有可被探测的规模时,TSP法低速常区可宏 o o o essa os寸卜2a 1 0 5卜sa 9ZZ寸a 落 寸sa削 层 S寸卜2a话 揭 S寸 a为 域 8 寸a区 色 0 194物探化探计算技术3 9 卷 参考文献 [ 1 ] 中 国 铁 路 总 公 司 . 铁 路 隧 道 超 前 地 质 预 报 技 术 规 程 Q/CR 9217 2015 [S ].北 京 中 国 铁 道 出 版 社 ， 2015. 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Firstly, this paper analyzes the factors that influence the implementation of TSP in coal measures strata, and then puts forward the corresponding countermeasures to improve the efficiency of TSP in coal measure strata. Finally, through two typical cases with a high gas area, comparative analysis the changes of physical and mechanical parameters, such as seismic wave velocity, Poissons ratio and Elastic modulus, etc.， discuss the cor responding relationship between the abnormal parameters of seismic wave and the distribution of coal seam. The results show that the low velocity anomaly area and high Poissons ratio can be used to interpret the distribution of thick coal seam, the effec tive detection of coal seam by TSP can provide a key target area for the advanced drilling, and create favorable condi tions for the tunnel construction. Keywords high gas； coal measures ation； TSP ； geological prediction