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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2022, 30(3): 333-342 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.115

采空区专栏

TRT技术在某地下矿山空区探测中的应用研究

高峰,, 何银东,, 李新

中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083

Application Research of TRT Technology in the Detection of Goaf in an Underground Mine

GAO Feng,, HE Yindong,, LI Xin

School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

通讯作者: 何银东（1997-），男，安徽安庆人，硕士研究生，从事矿山开采方面的研究工作。heyindong@csu.edu.cn

收稿日期: 2021-08-14   修回日期: 2022-03-11  

Received: 2021-08-14   Revised: 2022-03-11  

作者简介 About authors

高峰（1981-），男，湖南怀化人，博士，副教授，从事矿山开采、灾害机理与防治方面的研究工作csugaofeng@csu.edu.cn , E-mail：csugaofeng@csu.edu.cn

摘要

在矿山开采过程中，破碎带、软弱夹层等地质构造以及隐患空区的存在严重影响矿山的生产安全。开采前对工作面前方的地质条件进行超前预报，并及时采取有效的应对措施，对于矿山安全、经济且高效开采具有重要意义。为了探明某金铜矿深部矿房塌陷后涉及多中段的复杂空区位置和形状，在现场勘查的基础上，采用TRT6000系统分多中段多测点对需探测区域进行了不同方位的探测，结合钻探结果对预报结果进行详细分析与验证，并建立了反映空区形态的三维模型。结果显示TRT6000系统预报结果与钻探结果基本吻合，表明应用TRT在矿山井下开展超前预报具有可行性。建立的三维模型更加直观地揭示了空区及破碎带等问题区域可能出露的位置，为TRT结果解译的可视化提供了参考。

关键词： TRT技术 ; 空区探测 ; 超前预报 ; 地震波 ; 三维模型 ; 破碎带

Abstract

Geological disasters such as collapse of tunnel roof or wall and water inrush seriously threaten the life and property safety in the underground mine.It is particularly important to predict the geological conditions ahead before excavation.Based on advanced prediction，the discontinuous structures such as broken zones，weak interlayers and goafs can be found in time. Then， the geological disasters can be greatly reduced under effective measures，which is of great significance to the safe，economic and efficient mining of mines.It is discovered that the No.5 stope in the deep granite porphyry area of an underground gold-copper mine collapsed with a suspected goaf，which caused great potential safety hazards to subsequent production.Tunnel Reflection Tomography （TRT） technology，as a medium and long-distance advanced prediction technology，has the advantages of low-loss materials，convenient operation，safety and stability，and it is currently being gradually promoted and used in mines.In this paper，the TRT6000 system was applied to complex empty areas detection of this gold-copper mine，including 6 detection points distributed in 3 middle sections.Furthermore，a space three-dimensional model was established to make up for the lack of demonstration and observation of the imaging results of the TRT system.By comparing the results obtained from the interpretation of the TRT with the drilling results available，it can be found that the area covered by the borehole is basically consistent with the results of the advanced prediction of the TRT.The established three-dimensional space model intuitively reflects the distribution range of problem area such as broken zone and mined-out area，so that mine producers can have a clearer understanding of the specific situation.The TRT prediction results are basically consistent with the detection drilling results，which proves the feasibility of TRT advanced geological prediction technology in underground mines.The three-dimensional model is innovatively established to visually demonstrate and observe the TRT interpretation results，and achieved a good result.It provides ideas and directions for the visualization of TRT results interpretation.

Keywords： Tunnel Reflection Tomography（TRT） technology ; detection of goaf ; advanced prediction ; seismic waves ; three-dimensional model ; broken zone

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本文引用格式

高峰, 何银东, 李新. TRT技术在某地下矿山空区探测中的应用研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(3): 333-342 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.115

GAO Feng, HE Yindong, LI Xin. Application Research of TRT Technology in the Detection of Goaf in an Underground Mine[J]. Gold Science and Technology, 2022, 30(3): 333-342 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.03.115

冒顶片帮、井下突水等地质灾害严重威胁井下作业安全，在掘进前对前方地质情况进行超前预报显得尤为重要。通过超前预报，可及时发现破碎带、软弱夹层等不连续地质构造以及采空区的位置，并采取有效的应对措施，从而大大降低了地质灾害发生的几率，对于矿山安全、经济且高效开采具有重要意义（高峰等，2014）。

自20世纪60年代以来，超前地质预报技术研究工作取得了长足发展。目前超前预报方法主要包括钻探和物探2种（王力，2021）。其中，物探法又包括高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、微重力法、地震波法（TRT、TGP、TST和TSP等）（Paul，1997；Ashida et al.，2002）和放射性法等（肖宽怀，2012；白明洲等，2016；李术才等，2014；杨刚等，2020）。对于井下近距离的地质预报通常采用地质雷达法，该方法预报精度可靠，但探测距离有限。对于中远距离探测，高密度电阻率法具有较高的分辨率，但易受地形限制，常用于平原和浅层等地质预报中（张开伟等，2018）；瞬变电磁法一般用于深部地质预报中，但其解译难度大，结果准确性难以保证（赵磊磊，2021）；微重力法测量范围大，但灵敏度不够，一般用于区域性地质构造的预报中（强建科等，2018）；放射性法往往需要与地质工作相结合，常用于浅部水探测或贫水区域找水工程（武兴隆等，2016）；地震波法是目前使用较为广泛的一种中远距离超前地质预报方法，其适用性广、探测范围大且分辨率高，已推广应用于隧道和矿井等工程地质预报中。

隧道反射层析成像系统（True Reflection Tomo-graphy，TRT）技术是由美国NSA工程公司于20世纪末开发的一种超前预报技术（Otto et al.，2002），是地震波法中的典型代表，21世纪初期在欧洲和亚洲开始得到应用（Neil et al.，2002；彭炎等，2020）。该系统采用三维空间观测方式和地震层析成像技术进行数据处理（吴勇等，2013），能够提高不良地质体的定位精度，采用锤击震源，避免了采用炸药震源的繁琐审批、领用程序，采用无线连接，是一种隧道施工长距离超前地质预报的有效途径之一（王雷等，2020）。近年来，TRT系统逐渐被应用于矿山井下预报，因其具有自身体积小、携带方便和探测时间短等特点在矿山井下展现出良好的应用前景。例如：高峰等（2014）和王雷等（2020）将TRT6000系统运用于铜坑矿，对井下地表渗水导水通道和塌陷区垮落边界等情况进行了较为准确的预报；胡建华等（2016）在湖南省某矿平巷进行了TRT超前预报工作，实际开挖情况与预报结果吻合较好；范晓飞等（2019）对徐楼铁矿-205 m和-217 m水平出矿巷道进行了TRT超前预报，预报准确率分别达到70%和68.2%。

目前，关于TRT在矿山井下的应用研究大多是在单一巷道环境（空间跨度小，地质环境较好）下进行的，鲜有针对多中段、多测点及多中段复杂空区进行TRT超前预报的报道，且相关研究结果均采用文字叙述的方式进行描述，不利于预报结果的演示与观察。本文结合TRT6000超前预报系统在某金铜矿深部5#矿房多中段复杂空区探测中的应用，探讨TRT技术在复杂地质环境下的使用，并尝试通过建立三维模型在空间上直观反映采空区及破碎带的形态和位置，为TRT技术在矿山超前预报提供新的技术参考。

1 TRT预报原理及方法

1.1 工作原理

TRT预报的基本原理如下：首先，使用激发锤在震源点触发地震波，地震波向巷道围岩的传播过程中，遇到一些裂隙和含水面等声学阻抗差异界面时（刘杰等，2011；孙天学等，2013），地震波会发生反射、折射和散射等现象，波阻抗差异越大，反射、折射和散射等现象越明显（Liu et al.，2011），从而形成了由多种波形组成的复杂地震波信号。然后，使用传感器采集这些地震波信号并将其由无线传输模块发送至基站，由电脑对波形进行分析并反演波形变化的位置，从而推断围岩内部具有地质差异的结构面的规模和位置（王华忠等，2015；白明洲等，2016），以此来对掌子面前方地质情况进行预报。

本次超前预报工作采用美国C-Thru公司生产的 TRT6000超前地质预报系统，设备主要部件见表1，仪器工作原理及连接图如图1所示。

表1   TRT6000超前地质预报系统主要零部件

Table 1  Main components of TRT6000 advanced geological prediction system

主要部件数量/个
传感器10
无线传输模块11
主计算机1
基站1
触发器1
触发器导线1

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图1

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图1   仪器工作原理及连接图

Fig.1   Working principle and connection diagram of instrument


正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

R=ρ2V2-ρ1V1ρ2V2+ρ1V1

式中：R为反射系数；ρ1和ρ2分别为2种不同岩层的密度（g/m3）；V1和V2分别为地震波在相应2种不同岩层中的传播速度（m/s）。

1.2 震源和传感器布置方法

将10个传感器呈三维空间状态布置于巷道两帮及顶端，用以接收激发锤触发的地震波信号。用胶带将触发器固定于激发锤上，并用数据电缆与基站相连。传感器采集到的地震波信号经无线传输模块发送至基站，主计算机连接无线基站，并控制数据的采集与处理工作。震源和传感器的布置方式及其与测试靶区的位置关系如图2所示。

图2

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图2   震源和传感器布置方式及其与测试靶区的位置关系

Fig.2   Arrangement of seismic sources and sensors and their positional relationship with the test target area


1.3 仪器工作过程

仪器工作过程如下：激发锤锤击震源点产生地震波，触发器将触发信号发送给基站的同时，地震波在围岩中传输至传感器，传感器接收信号并由与传感器连接的无线传输模块进行采集并发送至基站，经电脑处理后进行数据保存，即完成单次地震波采集。每个震源点取3次有效激发（锤击）数据，共计36次地震波数据。

1.4 数据处理及图像判释

根据《冶金矿山地质手册》和《TRT6000数据处理操作说明》中的相对解释原理，首先确定一个背景场，并基于此背景场对其他区域进行分析解释，根据偏离背景场的差异值来分析异常区域的情况，以此来推断巷道前方探测区域的地质情况（刘兆勇等，2016）。同时，根据刘杰等（2011）的解释原理，围岩地质情况可以通过以下4个方面来解译判断：

（1）若出现较高反射系数和较小弹性阻抗，可以解释为反射界面的岩石密度较大。

（2）岩石从坚硬岩石到软弱岩石的界面会表现出正的反射振幅，岩石从软弱岩石到坚硬岩石的界面会表现出正的负射振幅。

（3）若横波（S波）反射比纵波（P波）反射强，可以解释为含水界面。

（4）若纵波平均速度下降，可以解释为围岩中的裂隙和空隙变大。

2 工程实例

某金铜矿主要采用分矿房矿柱两步骤回采的大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，矿房长为矿体厚度，宽15 m，高50 m（中段高度）。随着矿山开采工作的推进，在回采深部0 m中段以下的矿体后，发现花岗斑岩区5号矿房0 m上部出现垮塌现象，疑似存在空区，对后续开采带来极大的安全隐患。为获得5号矿房垮塌区域和范围，矿山开展了钻孔探测工作，主要包括：在0 m中段东翼6号至2号矿房共施工控制斑岩钻孔11个，进尺860.37 m，50 m中段东翼运输巷6号南及5号南布置了水平孔及下向斜孔（共施工钻孔7个，钻探进尺481.35 m），100 m中段疑似空区孔共施工4个钻孔。根据钻孔施工情况，了解了垮落区的分布范围，但由于钻孔探测施工周期长，成本较高，对垮落区探测的范围有限。因此，为了从空间上更加直观地掌握垮落区的分布情况，开展了本次TRT地质超前探测。

2.1 现场探测

根据井下生产现状，选择探测点共计6个，涉及3个中段，垂直高度约100 m，各探测点平面布置图见图3，探测点具体情况见表2。采集数据过程包括布点，安装传感器固定块，连接传感器与无线传输模块，连接铁锤、触发器、基站与电脑，激活软件，锤击触发，以及接收信号采集数据等步骤。

图3

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图3   各探测点平面布置图

①黑色粗线为巷道边界线；②蓝色曲线为矿体边界线；③浅色虚线为各矿房中心线；④红色实心圆点表示震源点；⑤粉红色实心圆点表示传感器布点

Fig.3   Layout drawing of all test points


表2   测试点布置情况

Table 2  Layout of test points

测点编号标高/m具体地点描述测点布置对巷道的要求
100 m中段6#矿房北侧凿岩巷道巷道长度有限
200 m中段5#矿房北侧凿岩巷道巷道长度有限
35050 m中段东翼运输巷道符合设备要求规格
45050 m中段东翼回风巷道非独头巷道，构建虚拟掌子面
5100100 m中段东翼运输巷道符合设备要求规格
6100100 m中段东翼回风巷道非独头巷道，构建虚拟掌子面

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其中，1号和2号测点在巷道长度上受限，同时周围巷道对传感器的布置以及信号的接收干扰较大；4号和6号测点在巷道长度上满足要求，但由于其测试区域不在独头断面位置，通过构建虚拟掌子面进行尝试性探测。

因此，根据测试条件是否与设备要求兼容，以3号和5号测点探测结果为主要依据，结合其他测点的探测结果，对5号矿房采空区的塌陷位置进行预报。

2.2 数据处理与结果解译

输入传感器与震源点的坐标，设定成像范围，下载现场采集到的地震波数据，选取直达波，反演地震波的纵波波速。根据围岩状况设置合适的滤波器，并利用TRT分析软件对现场探测到的地震波数据进行成像处理，得到解译结果如图4所示。

图4

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图4   解译结果图

（a） 1号探测点侧视图；（b） 4号探测点侧视图；（c） 5号探测点解译结果；（d） 3号探测点侧视图注：蓝色信号为低阻抗信号，一般解释为相对背景值较破碎、含水等区域；黄色信号为高阻抗信号，一般解释为相对背景值较硬质岩石

Fig.4   Interpretation result graph


通过对结果图像进行进一步解译，得到以下5点推断：

（1）在1号探测点，掌子面前方10~40 m区域［图4（a）①区域］表现为高阻抗与低阻抗间隔出现，呈不连续状，局部有纯低阻抗信号出现，推断此区段岩石较为破碎，含水量较高，疑似为空区。

（2）在3号探测点，震源点正下方15~30 m往北位置［图4（d）①区域］，呈现纯低阻抗集中出现，根据现场地质情况推断此处空区出露的可能性较大。

（3）在3号探测点，掌子面前方10~50 m区域［图4（d）②区域］呈现低阻抗与高阻抗间隔出现，信号之间较为分散，推断此处岩石较为破碎，特别是10~30 m范围，岩石完整性极差，有进一步垮落的可能。

（4）在4号探测点，掌子面前方36~45 m范围内［图4（b）①区域］，表现为高阻抗与低阻抗交叉出现，联系性不强，推断此区段岩石较为破碎，可能存在空区。

（5）在5号探测点，掌子面前15~30 m范围内［图4（c）①］，表现为高阻抗与低阻抗间隔出现，其中局部有纯低阻抗集中出现，推断此区段岩石完整性较差，裂隙发育，可能存在局部空区。

为了验证TRT超前预报结果的准确性，对应图5中的钻孔与主要测点巷道的位置关系，将钻孔方位角等位置信息及钻探结果列于表3，并将上述推断与已有钻孔揭露的具体情况同时列于表4。

图5

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图5   钻孔位置图

Fig.5   Drilling location


表3   钻孔信息及钻探结果

Table 3  Drilling hole information and drilling results

序号钻孔编号位置信息钻探结果
①100ZK609100 m中段运输巷道掌子面，方位角为90°，水平孔17 m处漏水，18.5 m开始断断续续为空洞，没有岩心，用钻机油压就可以推进钻杆，至24 m岩心管断在孔内
②50ZK50150 m中段运输巷道近掌子面处，方位角为0°，倾角为30°向下孔口至约32 m岩心采取率低，32 m以后岩性较完整，矿石品位较好
③50ZK501-150 m中段运输巷道掌子面，方位角为90°，倾角为45°向下下钻过程中发现31~34 m钻孔被上方垮落岩石埋住，提钻、下钻困难
④50ZK50350 m中段运输巷道近掌子面处，方位角为0°，水平孔孔口至约22 m采取率低，局部有空洞，漏水，出现漏风（热风，疑似老硐的气味）
⑤50ZK50550 m中段运输巷道近掌子面处，方位角为45°，水平孔孔口至29.6 m岩石较破碎，出现空洞，岩石采取率极低；29.6~39.96 m岩石较破碎，局部采取率较低
⑥50ZK50650 m中段运输巷道近掌子面处，方位角为0°，倾角为60°向下孔内塌孔严重，施工岩心破碎甚至为泥状，无法钻进
⑦50ZK50850 m中段运输巷道近掌子面处，方位角为90°，水平孔下钻过程中发现12 m开始钻孔被上方垮落岩石埋住，9.20~18.20 m采取率较低，18.20~19.45 m为泥状物

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表4   解译结果与钻探结果对比

Table 4  Comparison of interpretation results and drilling results

测点

编号

预报结果钻探结果

预报

效果

1推断掌子面前方10~40 m岩石破碎，可能含水，判断此区段为疑似垮落区域无钻孔覆盖-
3结合现场地质情况推断震源点正下方15~30 m往北位置空区出露的可能性较大根据钻孔50ZK506、50ZK501、50ZK503和50ZK505探测情况可以肯定5#矿房（震源点正下方）往北方向大约30 m区段岩石极破碎，甚至部分岩性段出现了空洞。孔内有热风吹出，推断此区段存在贯穿至0 m的裂隙甚至局部发育成小空洞吻合
推断掌子面前方10~50 m范围内岩石破碎，特别是10~30 m范围内，岩石完整性极差，有进一步坍塌的可能性根据钻孔50ZK508探测情况推断，50中段运输巷（3号探测点）延伸方向没有空洞，但存在与空洞区相互联通的裂隙较吻合
推断掌子面前方0~20 m、中心线下10~20 m范围内偏东南方向岩石较为破碎，可能存在局部空区根据钻孔50ZK501-1探测情况，推断掌子面0~32.45 m岩石较破碎较吻合
4推断掌子面前方36~45 m范围内岩石较为破碎，可能存在空区，并往南延伸无钻孔覆盖-
5推测掌子面前方15~30 m处岩石完整性较差，裂隙发育，可能存在空区根据钻孔100ZK609探测情况，推测掌子面前方18.5 m存在空区，且存在贯穿50 m中段空洞破碎区的裂隙，裂隙一直贯穿至0 m塌陷区较吻合

注：表中“-”表示无钻孔数据进行预报效果对比

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通过对比分析可以发现，除了部分钻孔未能覆盖的区域外，TRT系统所揭露的破碎带及采空区在钻探覆盖区域上基本吻合。表明本次TRT超前预报结果具有较高的可靠度，也证明了TRT超前预报系统应用于矿山井下涉及多中段复杂空区的探测具有可行性。

2.3 三维模型

由于TRT系统分析软件只能通过不同视角所生成的平面图进行成像结果的演示和观察，无法直观地展示三维空间下的采矿区及破碎带等状况。基于此，本文尝试建立采空区及破碎带等区域的三维模型。操作步骤如下：

（1）将震源点、传感器坐标在CAD实测平面图上进行标定，将TRT数据处理得到的俯视成像图按震源点和传感器的相对位置等比例缩放至CAD实测平面图上。

（2）对照侧视成像图，以中心线为参考，在垂直方向上每5 m的高度划分一个平面，并计算每个平面的高程值。结合立体图，判定每个平面的大概轮廓，将每个平面用多段线圈定于CAD实测平面图上，采用LIST命令拾取每个平面轮廓线的二维坐标，分别保存于TXT文件中。

（3）将二维坐标导入3DMINE软件中，对每个平面进行线赋高程，并进行闭合线段、线条圆滑、连接三角网、优化实体和验证实体等一系列操作，得到对应区域的三维模型（图6）。

图6

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图6   三维模型

注：黄色部分为空区出露可能性较大的位置；绿色实体为岩体极为破碎，与空区相连的实体有进一步垮落的可能性；蓝色实体为垮落的岩石与局部空区交替存在

Fig.6   Three-dimensional modeling diagram


通过三维模型，能够较为直观地观察到采空区、破碎带等问题区域在空间上的分布情况，结合文字描述部分，可以更清楚地观察到各破碎带、采空区在各中段之间的联系，为矿山施工设计提供参考。此外，可视化的三维模型弥补了TRT系统自身关于成像结果演示和观察的不足，为技术人员之间的交流提供了方便。

3 结论

（1）通过对本次TRT预报结果与已有钻探结果进行对比分析发现，TRT所揭露的破碎带及采空区与钻探覆盖区域基本吻合，证明了TRT在矿山井下开展超前预报的可行性。但由于矿山井下巷道错综复杂，生产过程震动干扰多，设备布点要求较高，在应用中还存在一定的局限性。同时探测解译和成像结果的精细化程度仍有待加强。

（2）本文创新性地提出建立三维模型对解译结果进行直观的演示与观察，为TRT结果解译的可视化研究提供了参考。

（3）在进行数据处理时，由于系统自身原因造成掌子面附近的直达波与反射波难以分清，所以在滤波过程中很可能将反射波过滤掉，导致掌子面附近区域的信号丢失。因此，在矿山井下超前预报工作中，建议结合其他超前预报手段，如钻孔、探地雷达等设备进行综合预报。

中国有色金属报

http://www.goldsci.ac.cn/article/2022/1005-2518/1005-2518-2022-30-3-333.shtml

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