地下坑道开挖前方结构面超前探测.pdf

第 5 卷第2 期 1 9 9 7 年6 月 工程地质学报 J o u r n a l 。 f E n g i n e e r i n g G e o l o g y V o L 5 N o ． 2 J u n e ， 1 9 9 7 l 一1 地下坑道开挖前方结构面超前探测 ／ 张 国 赵文 林韵梅 磊E 盾■ 面 1 V l 摘要本文在分析总结现有地球物理勘探方法的基础上， 提出了一种适台地下工程开 挖前方结构面探测的新的方法T v s P法， 同时对该方法进行了必要的分析。 一塑 下 适 ； 7 扣诞 1 前言 随着国民经济的发展， 许多地下工程的建设相继提到日程上来，而且其埋深越来越 大。 这些重大工程在设计阶段有关的地质资料都是在地面上利用地面勘探等手段获得的， 在地表覆盖层较厚或地质条件复杂情况下，这些方法往往成本高，误差大，很难把一些 较细的地质情况反映出来， 特别是那些宽度、方向和性质常随深度变化的次级断层，由 于未能准确掌握其挣睦，给正常施工和维护带来众多不便以及重大经济损失。如达开水 库输水隧道， 断层引起的坍方占总塌方量的7 0 ； 南桠河三级水电站引水隧道和南非 一 a n g - F is h引水隧道等大的洞内突水和碎屑流也都与断层有关。 在矿业工程中， 由于不可 见断层的出现， 被迫停产搬家的也屡见不鲜，造成的经济损失触目惊心。所以，对有关 工程技术人员来说， 如能准确掌握有关断裂带， 剪切带或特殊地质情况的位置和特性． 就 可以事先采取有效预防措施， 选择最佳支护方式或工作面布置位置， 减少不必要的损失， 使工程建设顺利进行_ 1 。 在坑道内探测前方地质情况， 目 前最常用最精确的勘探措施要算超前钻孔探测法， 但 这种方法的缺点是单个钻孔只能给出沿钻孔长度方向的地质变化情况，不能给出构造带 总体分布信息， 而系统地使用超前钻探，既费时叉费钱，同时也影响正常施工，特别是 当探测断层内含水水压较高时， 容易出现大的事故。 如东北某煤矿，1 9 9 3 年在留设采区 安全煤柱时．使用钻孔探测法来确定断层位置，由于断层带内含水水压较高，当钻孔触 及含水带后．强大的水流迅速从钻孔内喷出，根本无法拧上防水法兰，结果导致 5 人死 亡， 1 0 0 多米巷道被淹的重大事故。 目前这一课题的研究已引起人们的重视， 也产生不少 方法，如瑞雷波探测，地质雷达等 ， 但各有利弊口 ] 。 收稿日期1 9 9 5 0 5 一 O 5 收到修改稿日 期1 9 9 6 - 0 5 - 2 7 第一作者简介张国，男，1 9 6 7 年出生，博士，主要从事实验岩石力学研究工作 维普资讯 工程地质学报 第5 卷 由地球物理学可知，当弹性波遇到两种不同介质交结面时，就会形成反射。本文正 是根据这一原理， 结合地下工程的特殊性， 发展了适合地下工程探测的T V s P方法 T u n n e l v e r t i c a l S c is m ic p r o f il i n g 。 通过直达波与反射波时距曲线来判别前方断层或其它地质 分界面等的位置。 ． 2 基本原理 从3 O 年代开始． 人们利用井中检波器接收到的初至直达波资料， 来进行求取地层速 度参数等方面的工作。 起源于原苏联的垂直地震剖面法在7 o 年代为欧美国家所引进， 成 为地震勘探中一种重要方法。借鉴这一方法，我们可以在垂直坑道走向 方向的墙壁上打 一 垂直钻孔， 安设一定数量的检波器 一分量或三分量 ， 用适当的方法固定检波器， 使 检渡器与围岩耦合甚好，然后在开挖工作面放炮或利用打钻时钻杆本身的冲击作用作为 激发震源，用安装的检波器来接收相应的信息，把所接收的信息输入计算机内，通过适 当的处理，便可计算出前方结构面位置及其倾角大小。其原理如图1 所示。 图 1 T V S P测量原理图 F i g ． 1 S c h e me s h o wi n g p r i n c i p l e o f TVS P s u r v e y i n g 图中S 表示检波器位置， O表示激发震源。 当然如果断层走向与坑道轴向呈水平夹角 时，我们可在坑道侧帮安置检波器，其原理类似。 3 ． T V S P时距曲线分析 在T V S P中， 与地面地震相似，仍可以从渡的传播时间与距离 检波器埋深及其距 工作面位置的关系即时距关系来研究渡在介质中的传播情况，从而判定结构面 反射 面的位置。 通常情况下，我们探测的是最近的结构面位置，所以可以设定介质为均匀介质，波 的传播速度为 ， 可以根据直达波的时距曲线得到。 激发点O距检波器S 的水平距离为d ， h 为检波器埋深， 为界面倾角， O 为虚震源， H为激发点O到界面的垂直距离， 即探测 维普资讯 2 期 张国等 地下坑道开挖前方结构面超前探测 1 7 1 深度， R为反射界面，如图 2 所示。 图2 T v s P 时距曲线计算图 F ．2 S c h e me f o r c a l c u l a t in g T V s P t i me - d i s tan c e C t tl V e 直达波O S传播的时间 为 1 这是一条双曲线方程， 故直达渡时距曲线为双曲线， 但当d一0 时， 1 式变为直线 方程，因此可以说，在 d 值较小时， 直达波同相轴可近似为直线，如图3 所示。 图3 T 、 t s P时距曲线图 F i g 3 T h e t i me - d i s t a n c e c u r v e 0 f Tv s P 在图2 中，由虚震源性质可知， S 点接收到的反射波的时间为 O K ．s 一 IS O‘ 据图中的几何关系可知 将关系式 3 代入 2 ， 一 V 0’ ． s ．s B 0 B] S B d1 _2 Hs i n O B 一 2 H c o s rp h J 式中可得 2 Hs i n q 2 Hc o s rp一 2 4 孽 维普资讯 工程地质学报 第 5 卷 从时距方程 一 关系式可以看出， 反射波旅行时间与接收点位置、 激发点位置、 反射 界面倾角及波的传播速度有关。 但此式中， 除H， 未知外， 其它参数都己知或可测得， 所 以我们只要得到时距曲线，就可以经过适当的数据处理，获得工作面前方距反射界面的 垂直距离及结构面倾角大小 。 4 系统组成 T V S P测量系统是特地为地下坑道施工的地质预报而开发的。这种测量系统既适用 于常规施工工作面，也适用于掘进机施工的工作面，其重大特点是不影响正常施工，而 且随工作面不断推进，在不重新安装检波器的情况下可多次重复测量，多次探测结果可 进行对比分析，使探测结果更令人满意。整个测量系统可分成测量设备 硬件部分和 相应的分析软件两大部分。系统的基本组成情况如下图4 。 竺 j l 竺 I I 『 匡 一圈 图4 系统的基本组成框图 4 B l o c k d i a g r a m TV s P s y s t e m 硬件部分主要由接收传感器、数据记录设备以及起爆设备三部分组成。为了使传感器能 与周围岩石很好地耦合以保证采集信号的质量， 需将一个预制好的金属保护管插入钻孔 内，并将其与周围岩石牢牢地固结在一起，测量时将以杆状连结在一起的传感器插入管 内。记录设备具有对采集信号放大， 模数转换和测量过程控制的功能，整个过程由一台 小型的便携式计算机完成。经过转换后的数字信号也被贮存在这台计算机上。起爆设备 的作用主要是通过一个触发回路给出一个用于启动记录设备的同步信号。对电雷管和炸 药的引爆由一个常规起爆器来完成，当然也可以用触发式电火花作震源。测量系统的上 述硬件都能重复不断地使用，只有传感器套管、固结套管所用填料和少量雷管、炸药在 测量 过程中消 耗而不 能再次利用， 其它部分可重复使用， 使实测成本大为降低。 分析软 件的主要功能是对所得测量信号进行数字滤波、 选择放大、 相关分析、 数字处理过程， 以 获得清晰的反射波图象；其另一功能是将反射波图象所提供的信息与坑道的空间坐标结 合在一起， 通过一系列的数学运算，求出反射事件本身的空间位置以及与工作面的相对 位置。这些数学运算的结果与解释正是T V S P地质超前预报的最终目的口 ] 。 5 结束语 T V S P探测技术还处于初始阶段， 如果使其实用化， 将能对隧道施工和采矿工程发展 维普资讯 2 期 张国等； 地下坑道开挖前方结构面超前探测 1 7 3 及其安全性的提高做出较大贡献，但由于目 前岩体声波速度测定、各种干扰消除、接收 与发射不匹配等问题的存在，准确测定反界面所在位置还有一定偏差，必须结合现场地 质人员的实地分析，才能发挥其应有作用。随着现代计算技术的发展以及数据采集系统 的进步，这一方法将成为现场工作的有力工具，为此，今后还需做好以下工作 1 进行声波反射法地下声速测定方法现场应用的实验验证及建成各类岩层声速数 据库。 2 改善发射、接收装置的性能，使其接收的反射波信息更准确、可靠。 3 改进现有计算技术， 使各种后续处理更加简洁、明了、准确， 便于现场工作人 员使用。 ． 参考文献 陆基孟等．1 9 8 5 ．地震勘探原理及资料 解释．北京石油工业出版社． 姚姚等．1 9 9 1 地震勘探新技术新方法．武汉；中国地质大学出版牡，2 0 3 5 ． 杨成林孥1 9 9 3 ．瑞雷渡勘探．北京 地质出版社，l ～6 ． 杨文采， 李幼铭等．1 9 9 3 ．应用地震层析成能 北京 地质出版社． K d c h l S a s s a ．1 9 9 4 ． S e i s m i c t o m o g a p h y q u k a e ff e c t iv e t ool f o r e v a lu a ti o n o f [n - s [t u r e c k P ． D f I n t ． s y mp c u m o n t h e n e w D e v e l o p me n t in R o o k m h a n a n d e t i n e e r i n g ． N o r t h e a s t e r n u n i v s p r e s s ． 沈阳． 笠博羲等t陆荣用译．1 9 9 3 ．用声波和瑞雷渡探测盾构前方情况实验研究．隧道译从， N o ．1 ， 5 5 6 4 D ．F a } e 等 阵荣昆译．1 9 9 5 水平弹性渡探澳 l隧道开挖面前方的地质， 世界隧遭， N o ．1 7 7 ～7 8 ． H a s w a ． M， Us u [ ． M． 1 9 9 1 ． G mL c i c a [ p r e d i c ti o n m e t h o d a h e a d o f t t c m e l f a c e s ． N e w T e c h n l o l g y ∞t l I in g 2 7 2 8 ． 力武常次等．周胜奎译地球科学中的数学物理方法．北京 地震出版社． ADVANCED DET ECⅡ0N 0F UCn瓜AL F ACE AHEA D 0F DI GGI NG P LAC E I N S UBGR0UND GAL L ERY Z h a n gGu o Z h a oWe n L i nyt mme i No r z h e a s l t y， s g 1 1 0 0 0 6 Ab s t r a c t ‘ B a s e d o n a n a l y s i s a n d c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t o f p r e s e n t g e o p h y si c a l me t h o d s ， a D e w me t h od T V S P t h a t i s s u i t a b l e f o r p r o b i n g t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a h e a d o f w o r k i n g f a c e i s s u g g e s t e d i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r d s S t r u c t u r a l f a c e ，Ad v a n c e d d e t e c t i o n，TVS P me t h od． Ⅲ嘲嘲啪嘲 嘲m嘲 叫 维普资讯