地下巷道震电联合超前探测技术及应用.pdf

地下巷道震电联合超前探测技术及应用覃小伟１张孟伟２张朋３（１．贵州高速公路集团有限公司贵阳５５０００４；２．中交隧道工程局有限公司北京１００１０２；３．招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆４０００６７）摘要在地下巷道超前地质预测预报中，由于巷道内可供利用的空间有限，且巷道前方隐伏构造复杂异常，采用单一传统的方法，在准确性和精确度方面具有一定局限性，难以满足安全生产的要求。本文利用地震反射法中负速度概念与直流电阻法中点电源球壳效应，介绍震－电联合超前探测技术的原理及解释方法，并通过某煤矿２１煤试采区回风巷超前探测结果与开挖揭露地质情况对比验证，说明该技术能有效预测预报了掌子面前方１００ｍ以内地质界面及其之间煤层厚度变化、岩性变化、富水程度等，消除了单一传统探测方法的多解性，为安全生产提供可靠的地质依据。关键词地下巷道超前探测地震负速度电阻率联合解释１引言随着现代科学技术和人们安全意识的不断提高，对于地下巷道掘进工程质量提出了越来越高的要求，尤其是综合机械化掘进生产技术的快速发展，要求必须掌握掘进空间施工过程中遇到的各种地质构造或地质异常。目前地下巷道超前探测与预报的手段主要包括钻探和物探两大类［１］，其中采用钻探接触式方法进行预报成本高、效率低，而物探方法是以前方介质的物理性质差异为基础，通过观测地球物理场的分布及其变化规律来研究前方是否存在地质构造或异常，属于非接触式，具有广阔的应用前景和显著的社会经济效益。现阶段在地下巷道中广泛运用的超前探测方法有地震反射波法、瑞雷波法、直流电法、电磁法（瞬变电磁法、无线电波透视法和地质雷达）、放射性测量和红外测温等技术［２］－［７］，但由于巷道前方断层、破碎带、空洞、陷落柱、富水区、瓦斯富集区等隐伏目标体具有复杂性，加上巷道内可供利用的空间有限，因此，采用单一的方法在精确度和准确性方面并不十分可靠、难以满足各种工程的生产技术要求［８］－［１３］。震－电联合超前地质预报结合了地震反射波法和直流电法的优点，综合解释巷道前方隐伏构造异常，并相互验证、相互补充，大大提高了超前地质预报的探测精度。２震－电超前探测方法原理２．１地震反射法超前探测设巷道有一构造界面倾角为ｗ，上界面均匀介质波速为Ｖ１，下界面均匀介质波速为Ｖ２；由Ｏ点激发，Ｓ点接收，设Ｏ为原点，Ｓ点距离为ｘ，到界面水平出露点距离为ｈ，Ｓ点直达波射线路径为ＯＳ，反射波的旅行路径为ＯＲ＋ＲＳ，如图１，经几何运算有图１地震反射波超前探测原理ｔ１＝ＯＲ＋ＲＳＶ１＝Ｏ ′ ＳＶ１（１）ｔ２＝ＯＳＶ１＝ｘＶ１（２）ｔ１、ｔ２为Ｏ点到界面、Ｓ点最段时间，在三角形ＳＯＯ＇中，由余弦定理可得ｔ１＝Ｏ＇ＳＶ１＝ｘ２＋４ｈ２ｓｉｎ２ｗ－４ｘｈｓｉｎ２槡ｗＶ１（３）将（４）式可以变换为ｔ２ａ２＋（ｘ－２ｈｓｉｎ２ｗ）２ｂ２＝１（４）其中ａ＝ｈｓｉｎ２ｗＶ，ｂ＝ｈｓｉｎ２ｗ，上式为一条双曲线，随着界面倾角的减小，时距曲线变缓。当倾角为９０，即界面与巷道中轴线垂直，且位于巷道工作面前方时，时距曲线为一条直线，其斜率Ｋ为Ｋ＝－１Ｖｔ０＝２ｈＶ（５）２２公路隧道２０１６年第３期（总第９５期）ｔ０为截距，这里视速度的绝对值与直达波的视速度相同，但符号相反；当倾角在４５－９０时，视速度基本上为负速度值。地震反射波超前探测为二维观测系统通过视速度滤波，提取反射波信号进行巷道前方绕射偏移［１４］－［１７］。２．２直流电法超前探测均匀全空间中点电源的电位表达式为Ｕ＝Ｉ ρ ４ π ｒ（６）式中Ｉ为供电电流， ρ为均匀全空间介质电阻率，ｒ为供电点到空间任意观测点的距离，其等位线为以点电源为球心的球面。直流电法超前探测基于直流电法点电源原理，如图２所示，在巷道掘进巷道掌子面附近等间距布置ｎ个供电电极Ａ１、Ａ２Ａｉ，地下供入直流电建立人工电场，根据电流场分布原理，各供电电极分别供电时都是点电源，在三维均质介质空间中其电流线以Ａｉ（ｉ＝１，２，，ｎ）极为球心往外辐射，其等电位面是以Ａｉ为球心，任意测量电极Ｍｊ、Ｎｊ（ｊ＝１，２，，ｎ）为半径的球壳，Ｍｊ、Ｎｊ电位差为ＡｉＭｊ、ＡｉＮｊ之间球壳的体积范围内电位差ＵＭＮ，根据球对称原理，Ｍｊ、Ｎｊ与对称供电点前方Ｍ、Ｎ点电性变化一致。因此，以Ｍｊ、Ｎｊ电位可间接推导巷道前方ＭＮ的球壳体积的介质视电阻率，若球壳体积范围内有电性异常体（如含水断层）存在，则其视电阻率就会发生变化。通过在巷道后方观测电位的变化，从而达到超前探测目的［１８］－［２３］。图２直流电法超前探测原理２．３震－电联合解释技术震－电联合解释技术研究是指利用地震反射波、直流电法超前探测相结合，并以地质调查资料相辅助来提高勘探精度和效率。地震反射波法井下数据采集所受干扰影响较小，探测距离较远，对构造界面的分辨能力强，能可靠地确定围岩的波速分布、反射界面的位置、界面两侧围岩力学特性等差异，为分析确定岩性界面、构造位置等工程地质问题提供可靠定位依据；直流电法方法提供电阻率剖面能很好地反映良导电体的赋存范围，提供地质异常体定性依据。震－电联合探测技术可针对性解决巷道掘进工程中所关心的地质问题包括构造软弱带、含水体、岩溶、瓦斯等问题，特别是对于含水断裂、含水溶洞、含水松散体等不良地质体的预报问题，减小单一方法局限性和多解性，为一种巷道掘进多灾害源定性定位可靠方法。３应用实例苏北矿区的一个煤矿２１煤试采区回风巷，采区煤层顶底板均有灰岩存在，底板距离奥陶系灰岩含水层最小不足１００ｍ，并发育不同程度断层构造，严重威胁到巷道安全掘进，故采用震－电联合超前探查明巷道前方异常１００ｍ范围内含水异常、断层构造等不良隐伏地质体探测。地震反射波法采用炸药为震源，２道３分量检波器接受（ｘ分量垂直掌子面、ｙ分量垂直底板、ｚ垂直侧帮），炮点布置巷道右侧，距离底板１ｍ，炮间距２ｍ，共２０炮，Ｓ１位于右侧与掌子面交汇处，最小炮检距（Ｓ２０Ｒ１）２０ｍ，最大炮检距（Ｓ１Ｒ１）５８ｍ，检波器对称安装在巷道右（Ｒ１）左（Ｒ２）两侧，距离掌子面５８ｍ。直流电法观测系统采用Ｌ型测线，多极供电叠加观测系统，电极布置巷道底板，共４８个电极，其中供电电极５个，Ｄ１～Ｄ３电极距离掌子面０．５ｍ，电极间距２．５ｍ，Ｄ３～Ｄ４８电极间距２．５ｍ，测线总长为１１７．５ｍ，以巷道掌子面为零点，巷道探测前方为正方向建立坐标系，如图３。图３现场测线布置示意图３．１地震解释地震发射波超前探测数据采集三分量数据体。处理流程为预处理→频谱分析→直达波求取→反射波提取→波场分离→速度分析→深度偏移→界面提取，其中波场分离利用纵波和横波的偏振特性差异，采用Ｐｏｌｉｎｅ极化滤波实现，速度分析以Ｐ、Ｓ直达波速度背景值，利用速度扫描与绕射偏移对速度模型修正，深度偏移采用立体椭球偏移技术，图４为本次现场实测ｘ分量地震信号，从图中各记录源检距和初至到时计算出直达Ｐ波速度为３．５ｍ／ｍｓ，３２覃小伟等地下巷道震电联合超前探测技术及应用直达Ｓ波速度为１．９ｍ／ｍｓ。图５为巷道前方地震Ｐ波、ＳＶ波深度偏移成像结果，不同的颜色表达出反射波振幅的振幅大小，颜色越深代表该处反射波能量越强，偏移剖面清晰显现巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系，掌子面前方１００ｍ范围内存在５处较为明显的反射界面，Ｒ１异常界面距掌子面前方１０～２０ｍ，Ｒ２异常界面距掌子面２６ｍ～３２ｍ，Ｒ３界面距当日迎头前方３９ｍ～４３ｍ位置，Ｒ４界面距当日迎头前方８ｍ～７０ｍ，Ｒ５界面距掌子面７８ｍ～８６ｍ，同时掌子面附近也存在相对强的反射界面。图４现场实测ｘ分量地震信号（ａ）Ｐ波（（ｂ）ＳＨ波图５地震反射法超前探测Ｐ、ＳＶ波深度偏移剖面图６直流电法超前探视电阻率剖面３．２直流电法电法解释直流电法超前探测数据Ｍｉ、Ｎｉ间的电位差包括掘进工作面前方、后方、上方、下方、左方、右方全空间地层的地质信息，数据处理需进行巷道空腔影响校正、底板干扰校正、层状介质校正以及畸变点删除后，偏移归位至巷道前方，计算单元网格内电阻率平均值，经方差校正克里克插值成图。图６是直流电法超前探测视电阻率剖面，视电阻率在０～１２０ Ωｍ之间，掌子面前方存在明显高低阻值变化区段，共５个电性异常区域８ｍ～１３ｍ低阻异常Ｄ１、２５ｍ～２８ｍ低阻异常Ｄ２、４４ｍ～４６ｍ低阻异常Ｄ３、５８ｍ～７０ｍ高阻异常Ｇ１、８７ｍ～９５ｍ高阻异常Ｄ４。３．３联合解释震－电联合解释原则为地震反射法超前探确定物性异常界面，直流电法超前探确定异常界面及之间区域煤层厚度变化、岩性变化、富水程度；根据前面介绍的地震波、直流电法超前探测结果，结合地质资料综合分析推断，在掌子面前方１００ｍ范围内存在５组构造异常区段，整体而言岩体完整、稳定较差，构造发育，局部岩体破碎，易掉块，欠稳，探测范围内存在大的断层破碎带、岩溶等不良灾害体，发育裂隙水。具体位置为掌子面前方１０～２０ｍ、２６ｍ～３０ｍ、３９ｍ～４３ｍ异常区域反射界面明显，视电阻率均小于４０ Ωｍ、分析为小断层或破碎带，煤层变薄，岩层富水性较好，巷道掘进过程中会伴随有出水或淋水现象；掌子面前方５８ｍ～７０ｍ、７８ｍ～８７ｍ异常区域，视电阻率值均大于均小于４０ Ωｍ，尤其是５８ｍ～７０ｍ最大电阻率值大１２０ Ωｍ，分析为断层破碎带，煤层厚度突变，巷道掘进过程中不会有出水或淋水现象。３．４实际验证根据巷道掘进后实际揭露资料，与探测结果与进行对比，实际揭露４个正断层、１个破碎带，８～５０ｍ区域局部顶板伴随有淋水现象，掌子面前方煤层厚度有１．２ｍ逐渐变薄为０．７ｍ，在６８ｍ突变为１．８ｍ，探测结果均与实际揭露剖面较吻合，具体见表１。表１超前探测结果与实际揭露对比表巷道实际揭露情况编号位置／ｍ异常描述探测有无解释２１煤试采区回风巷１８～１５破碎带、顶板有淋水现象有／Ｒ１、Ｄ１２２９正断层、顶板有淋水现象有／Ｒ２、Ｄ２３３９正断层、顶板有淋水现象有／Ｒ３、Ｄ３４６８正断层、煤厚突变１．８ｍ有／Ｒ４、Ｇ１５８４．６正断层、煤厚０．８～１．６ｍ有／Ｒ５、Ｄ４４２公路隧道２０１６年第３期（总第９５期）４结论矿井巷道震－电联合超前探测技术基于以介质物理性质差异为基础，相比单一传统探测方法，该法一定程度消除了多解性。地震反射法利用负速度的概念，提取反射波信号，通过速度扫描、Ｐ波、ＳＶ波深度偏移成像，显现巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系。直流电法利用点电源球壳原理换算巷道前方介质视电阻率，确定物性界面位置的富水性、岩性、煤层变化等。通过在某矿区地下２１煤试采区回风巷实例应用，成功预测预报掌子面前方１００ｍ范围预测存在５组构造异常区段，说明该技术具有较高的准确性与应用价值；随着技术进一步系统完善与应用推广，其在公路、铁路、水电等隧道、洞室地质超前探测中产生很好的应用前景。由于地下巷道空间条件一定程度限制数据采集、地震算法中速度绕射偏移基于均匀模型、直流电法点电源球壳原理具有体积效应、巷道前方介质（孔隙度、渗透率、富水量、流体性质等）物性参数与震－电信号属性的相关关系等等问题，地下巷道超前地质预测预报要解决定量问题仍是任重而道远。参考文献［１］储绍良．矿井应用物探［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，１９９５．［２］刘盛东，张平松．矿井巷道超前探测技术综述［Ｊ］．淮南工业学院学报，２００２，２２６３－６５．［３］郭纯，刘白宙，白登海．地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进工作面的连续跟踪超前探测［Ｊ］．地震地质，２００６，２８（３）４５６－４６２．［４］王洪勇，张继奎，李志辉．长大隧道红外辐射测温超前预报含水体方法研究与应用实例分析［Ｊ］．物探化探计算技术，２００３，２５（１）１１－１７．［５］韩德品．地质电法测温多参数综合超前探测技术及应用［Ｊ］．煤炭学报，２００９，３４（１）１４９９－１５０６．［６］白哲．地质雷达在隧道超前预报中的应用［Ｄ］．武汉武汉理工大学，２００６．［７］温世儒，杨哓华，吴霞，吴兴娇．掌子面前方边墙溶洞的地质雷达探测方法研究［Ｊ］，．公路交通科技，２０１４，１０（３１）９３－９６［８］张平松，吴健生，刘盛东．矿井巷道前方构造及异常综合探测与应用．第二环境与工程地球物理国际会议论文集．［９］王齐仁．地下地质灾害地球物理探测研究进展［Ｊ］．地球物理学进展，２００４，１９（３）４９７－５０３．［１０］吕乔森，罗学东，任浩．综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用［Ｊ］．隧道建设，２００９，２９（２）１８９－２９３．［１１］曹泉水，刘立，沈胜强，宋静．综合超前地质预报技术在巴朗山隧道施工中的应用［Ｊ］．西华大学学报，２０１４（１０），９５－１００［１２］仇念广．瞬变电磁与地震反射波技术在巷道掘进中的联合应用［Ｊ］，中州煤炭，２０１５，１１，１０６－１１０［１３］张庆松，许振浩，李术才，等．岩溶隧道综合超前地质预报方法与工程应用［Ｊ］．山东大学学报（工学版），２００８，４（４）７６６－７７１．［１４］刘志刚，刘秀峰．ＴＳＰ（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前预报中的应用与发展［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（８）１３９９－１４０２．［１５］刘盛东，郭立全．ＭＳＰ技术及其煤矿巷道小构造探测中的应用［Ｊ］．安徽理工大学学报（自然科学版），２００７，２７（Ｓ）２２－２５．［１６］薛翊国，李术才，张庆松，等．ＴＳＰ２０３超前地质预报系统探测岩溶隧道的应用研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（７）１１８７－１１９１．［１７］陆基孟．地震勘探原理［Ｍ］．东营石油大学出版社，１９９３．［１８］刘青雯．井下电法超前探测方法及其应用［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００１，２９（５）６０－６２．［１９］马炳镇；李貅．矿井直流电法超前探中巷道影响的数值模拟［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０１３（１）７８－８１．［２０］付宗智；铝土矿山超前探水预报及水灾害治理研究［Ｒ］，中南大学，２０１３．［２１］黄俊革，王家林，阮百尧．坑道直流电阻率法超前探测研究［Ｊ］．地球物理学报，２００６，４９（５）１５２９－１５３８．［２２］程久龙，王玉和，于师建，等．巷道掘进中电阻率法超前探测原理与应用［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０００，２８（４）６０－６２．［２３］韩德品，李丹，程久龙等．超前探测灾害性含导水地质构造的直流电法［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（４）６３５－６３９．５２覃小伟等地下巷道震电联合超前探测技术及应用

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