地质超前预报与探测技术在巷道施工中的应用.pdf

第 1 8卷 第6期 总第 1 1 5期 2 0 1 3年 1 2月 煤矿 开采 CO AL MI NI NG T E CHN 0L 0GY V o 1 ． 1 8 N o ． 6 S e ri e s N o ． 1 1 5 De e e mbe r 2 01 3 ●固趸豇皿 地质超前预报与探测技术在巷道施 工中的应用 祝 云 华 内江师范学院 工程技术学院 ，四川 内江 6 4 1 1 1 2 [ 摘要] 随着对地下工程要求的不断提高，在巷道开挖中遇到的地质环境越来越复杂，为了 将地质灾害影响程度降到最低 ，施工前进行超前地质预报就显得越 来越 重要。首先分析 了超前 地质预 报T S P 2 0 3和地质雷达探测技术的基本原理、数据处理及其特点，针对开采巷道复杂的工程地质条件， 在施工过程中综合运用了超前预报探测技术，成功地预报了掘进迎头前方的地质信息，并通过对比分 析验证了预报结果的准确性。研究表明超前地质预报及探测技术在复杂条件下巷道施工预报中起着 重要作用 ，具有广泛的实用性和应用 前景 。 [ 关键词] 超前地质预报；巷道；T S P - 2 0 3 ；地质雷达 [ 中图分类号]T D 1 6 6 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 3 0 6 0 0 2 6 0 3 App l i c a t i o n o f Ad v a nc e Ge o l o g i c a l Fo r e c a s t a nd Ex p l o r a t i o n i n Ro a dwa y Dr i v i ng ZHu Yu n h u a E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y S c h o o l ，N e i j i a n g N o r ma l I n s t i t u t e ，N e i j i a n g 6 4 1 1 1 2 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e n e e d o f u n d e r g r o u n d e n g i n e e rin g i n c r e a s i n g，g e o l o g i c a l e n v i r o n me n t b e c a me mo r e a n d mo r e c o mp l e x i n r o a d wa y e x c a v a t i o n ．I n o r d e r t o r e d u c e g e o l o g i c a l d i s a s t e r i n fl u e n c e d e gre e t o mi n i mu m ， i t i s mo r e a n d mo r e i mp o r t a n t t o ma k e a d v a n c e g e o l o g i c a l f o r e c a s t b e f o r e c o n s t r u c t i o n ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e d b a s i c p ri n c i p l e，d a t a p r o c e s s i n g a n d c h a r a c t e ri s t i c o f g e o l o g i c al r a d a r e x p l o rin g t e c h n o l o g y ． Fo r c o mp l e x g e o l o g i c al c o n di t i o n o f mi n i ng r o a d wa y， a d v a n c e g e o l o g i c al f o r e c a s t t e c hn o l o g y wa s a p pl i e d， whi c h s u c c e s s f u l l y f o r e c a s t g e o l o g i c al i n f o r ma t i o n ． R e s u l t s s h o we d t h a t a d v a n c e g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n a n d f o r e c a s t t e c h n o l o gy p l a y e d a n i mp o r t a n t r o l e i n r o a d w a y c o n s t ruc t i o n wi t h c o mp l e x c o n d i t i o n s wh i c h h a d w i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t ． Ke y wo r d s a d v a n c e g e o l o g i c a l f o r e c a s t ；r o a d w a y ；T S P 一 2 0 3；g e o l o g i c a l r a d a r 在煤矿开采和引水通道等的施工中，巷道工程 在设计阶段所掌握 的地质资料都是在地表获得 的， 在地表覆盖层较厚或地质条件复杂的情况下 ，有些 地质资料受施工技术和成本的限制 ，与实际情况有 很大的区别 ，很难反映详细的工程地质情况 。那些 宽度 、方向和性质随深度变化的次级断层 、岩溶、 含水体、瓦斯体等由于未能准确掌握其特性，往往 给施工和维护带来很多不便 。在巷道的开拓过程中 如果不能超前探测开拓方 向的断层、破碎带 、水 体 、溶洞 、瓦斯等情况 ，将会给施工带来 困难 ，严 重时甚至会造成灾难性的后果。因此 ，采取适 当的 技术手段 ，对巷道前方复杂地质条件进行勘察，减 少可能出现的地质灾害 ，并制定确保工程地质体稳 定性的工程措施及合理的施工方法 J ，以降低地 质灾害发生的概率 ，保证施工人员和施工设备的安 全等有着极其重要的意义。 1 超前地质预报系统 1 ． 1 T S P - 2 0 3超前预报原理 T S P - 2 0 3地震探测方法属于三分量纵横波地震 勘探 ，在已开挖的巷道两侧设置炮点、检波点。检 波点布在巷道两侧壁内，每侧各 1个，检波器为三 分量加速度型 ；炮点 可以设 置在巷道 的左侧或右 侧 ，排成一直线 ，1 8 2 4炮 ，小药量激发地震波。 检波器 和炮点埋入壁内 1 ． 52 ． 0 m处 ，地震 波在 地层传播时遇到波阻抗变化界面就会发生反射，反 射回来的地震波信号被检波器接收，最后记录单元 以数字形式记录下来 。由于 T S P一 2 0 3地质超前 预 报地震资料数据量大、信息丰富，在数据获取的过 程中尤其要注意避开各种震动干扰 ，保证获取第一 手资料 的可靠性_ 2 J 。T S P - 2 0 3测量原理见图 1 。 1 ． 2 地 质雷达 地质雷达是利用高频电磁脉冲的反射 ，来探测 目的体及地质界面的电磁装置 ，根据接收到的回波 来判断反射界面的存在 见图 2 。 地质雷达可有效地探测巷道掘进迎头前方的地 层岩性划分 、富水性与岩溶破碎带等的分布。脉冲 波旅行时间为 J [ 收稿 日期]2 0 1 3 0 7 2 2 [ 基金项 目] 四川省教 育厅 重点科研项 目 1 1 Z A 0 2 7 [ 作者简介]祝云华 1 9 7 5 一 ，男， 湖南邵阳人，博士，副教授，主要从事地下工程方面的教学与研究。 2 6 祝云华地质超前预报与探测技术在巷道施工中的应用 2 0 1 3年第6期 图 1 T S P - 2 0 3预报系统原理 图2 地质雷达探测原理 匠 式 中， 为两天线之 间的水平距离 ， m ／ n s ； 为深度 ，m。 1 m； 为波速， 当地下介质 中的波速 为已知时 ，可根据精确 测得的走时 值 n s ，I n s 1 0 一 s ，由上式求出反 射界面的深度 z 。 2 工程地质概况 重庆某煤矿 4号掘进巷道走 向大致呈东西向 ， 高差 5 0 0 m，巷道 区地貌形态受地质构造、岩性控 制明显。进洞 口至桩号 Z K 4 3 8 0 0为三叠系嘉 陵江 组地层构成的溶蚀侵蚀中低山地貌；巷道出口为三 叠系中统巴东组地层构成 的溶蚀侵蚀低 山地貌。 巷道区跨越新华夏系第三隆起带和第三沉降带 之结合部 。齐耀山基底大断裂通过本区 ，在本区域 形成齐耀山背斜，在背斜两侧形成 “ 入”字形构 造体系。巷道区受构造影响 ，裂隙发育。巷道区不 良地质现象为岩溶 ，主要工程地质问题有断层、软 质岩及软弱夹层 、有害气体和地压围岩变形等。 巷道穿越区域地下水类型及富水性较复杂 ，构 成两种基本的地下水类型为碳酸盐岩类岩溶水和松 散岩类孔隙水。各类型地下水 的埋藏条件、分布、 富水性受地 质构造 、地形 地貌及裂 隙发 育程度控 制。 3 现场预报成果分析 3 ． 1 T S P - 2 0 3预报分析 图 3为掘进迎头测试布置示意图。测试掘进迎 头岩性为灰、浅灰厚层块状灰岩，岩层产状分布为 1 4 5 。 ／_ 4 1 。 。岩体裂隙节理 较发育 ，有 4组充填软 弱岩体 黏土节理 ，脉幅范围 0 ． 51 ． 5 ram，最 大可达 1 8～ 2 2 m m。 l l 3 。 4 6 酽 ≤三 G 一 ● D E ●发射点 0接收点 E f i 嘲脚 ．0 m 图3 掘进迎头测试布置示意 现场采用 T S P一 2 0 3地震探测方 法进行 测试 ， 图4至图 6为测试段典型波形曲线。 3 0 2 0 一 1 0 4 o O 3 0 2 0 星 一1 0 4 0 0 图 4 P波深度 偏移 图 蠼--T--．S．---E--------i- ； 姑 庄 一 圈二 旺 汪 旺 _ 舞 雕 ⋯ } Ⅲ ’卜 十 ～ 卜 卜 卜 _『 f 一 图 5 P波提 取的反射界面 通过对掘进迎头 Z K 4 2 3 6 5～K 4 2 5 1 2典型段 的 T S P - 2 0 3预报分析 ，并与开挖后 实际揭露 的地 质情况对比，分析如下 1 从 图 4至 图 6中可 以看 出，巷道 4 1 5～ 4 3 0段纵波变化大 ，横波有波浪型跳变 ，纵横波速 之比突然上升 ，泊松 比明显增加 ，密度显著降低 ， 杨 氏模量明显下降 ，同时有强烈的副反射 ，纵横波 比、 白 松比降低、密度等基本参数都围绕在一固定 值附近跳变，由此推断岩石构成主体没有变化， 但 是岩体整体结构发生变化，应属于岩体破碎状结 构 ，由于此段岩体破碎，灰岩地区长期受地表水下 渗的侵蚀而演变成溶蚀破碎夹黏土。 2 7 0口 呷 - eA 总第 1 1 5期 煤 矿 开 采 2 0 1 3年第 6期 跨距 计算 方法 ，根据 轰的大小将顶板 分为 4 类 ，对每类顶板进行针对性辅助材料支护设计 ，防 止辅助材料在巷道 围岩性质较好区域支护过剩 ，围 岩性质较差区域支护强度不足，并且给出了4类巷 道顶板表层岩层稳定跨距条件下的辅助材料选择原 则。 3 采用此种辅助材料支护设计方法和原则 ， 在神东矿区补连塔 1 2 4 2 0回风巷道 和乌兰木伦矿 1 2 3 0 2回撤通道部分区域进行 了试验，两条巷道试 验 区域顶板没有明显破碎 ，完整性较好 ，巷道顶板 辅助材料支护情况较好。 【 参考文献] [ 1 ]娄培杰． 煤巷围岩稳定性分类及锚杆支护辅助设计系统研究 [ D]．青 岛山东科技大学 ，2 0 0 8 ． [ 2 ]钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制 [ M]．北京 煤炭工 业出版社 ，2 0 0 3 ． [ 3 ]侯朝炯 ，郭励 生，勾攀峰．煤巷锚杆支护 [ M]．徐 州中国 矿业大学出版社 ，1 9 9 9 ． [ 4 ]那志朝 ．煤巷顶板锚杆支护及机理研究 [ J ]．科技创新导报 ， 2 0 0 9 4 8 2 8 3 ． [ 5 ]侯朝炯 ，等 ．巷道金属支架 [ M]．北京 煤 炭工业 出版社 ， 1 9 8 9． [ 6 ] 张子飞 ，罗 文 ，潘 金 ．神 东矿 区 锚杆 支 护技 术 的应 用 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 0 1 ，6 4 4 8 - 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