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煤矿随掘地震探测技术在隧道领域的应用研究

2025-03-08 60 上传者：管理员

摘要：随掘地震探测技术已经在煤矿巷道掘进领域成熟应用，为保障隧道领域TBM掘进前方的地质安全，实时、高效、精确地预报TBM前方一定范围内的地质异常，选择中铁隧道局集团滇中引水香炉山隧道开展随掘地震探测工程，构建井地随掘地震实时数据传输网络和监测预报系统，在TBM正常作业的同时，将隧道内采集的随掘地震数据实时传输至洞外监控中心，经过数据筛选、脉冲化和偏移成像等步骤实现巷道掘进前方断层的随掘随探。本次在隧道领域的尝试精准预报了TBM前方的地质异常并成功揭露，标志着该项技术在非煤领域也可成功应用。

关键词：
TBM
快速掘进
煤矿随掘地震探测
物探
隧道
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由于我国煤炭开采的主要形式为井工开采,因而巷道掘进是煤炭开采的先导和前提｡随着采煤技术与装备水平的不断提升,对掘进提出更高的要求,掘进效率低已成为煤炭安全高效开采的主要制约因素[1]｡有调查显示,我国大部分煤矿平均掘进速度不足200m/月,掘进速度慢､用人多､智能化程度低,造成采掘接替紧张｡如今,大量快速掘进技术装备已经成功在全国各大煤矿开展应用,并取得了良好的经济效益,掘进速度大于1000m/月已经基本成为常态｡

然而,如何为快速掘进装备提供可靠的地质保障,是多年来各大科研院所和高校纷纷研究的主要方向｡传统的物探技术装备单次探测距离短､测量和数据处理周期长､探测过程对掘进作业影响较大､探掘分离,无法满足快速掘进的需求｡近年来,随掘地震探测技术成了为快速掘进装备提供地质保障的有效手段,能够在不影响掘进作业的同时对掘进前方一定区域实时成像,根据成像结果提供掘进地震预报,保障掘进作业的安全高效开展[2]｡作为实现煤矿隐蔽致灾地质因素智能探测的重要手段,随掘地震探测是智能地质保障系统的重要组成部分｡

借助于随掘地震探测技术在煤矿领域的成功应用,同样面临超前地质构造探查的隧道领域也可应用这项技术来保障隧道安全高效掘进｡盾构机(TBM)作为一种高效､高质､高安全的地下管道及隧道施工设备,已经在全球广泛应用[3]｡因TBM庞大机身结构及施工特点,很多常规地质预报方法在TBM或盾构施工隧道内都无法使用或受到很大限制,专门针对或适合于TBM或盾构施工的地质超前预报技术及设备尚不成熟｡为了推广随掘地震探测技术,中铁隧道局集团有限公司联合中煤科工西安研究院(集团)有限公司,在滇中引水工程大理一段3标香炉山隧洞进行了为期3个月的现场试验,中煤科工西安研究院(集团)有限公司自主研发的随掘地震探测系统,以TBM掘进时截割岩壁产生的连续震动作为震源,通过连续高精度同步采集､在线高速传输､实时自动处理及“长曝光”叠加成像等技术,实现了TBM掘进前方地质异常体的高精度实时监测｡

1、随掘地震探测原理

随掘地震超前探测技术,是指利用煤矿井下生产活动中掘进机截割煤壁产生的振动信号作为震源,通过对工作面掘进前方一定范围内的构造和应力变化的实时监测,实现该范围内隐蔽地址异常体和动力灾害的动态探测｡能够更好地适应新形势下煤矿巷道快速掘进对地质探测的需求,实现精细､高效､连续探查煤矿井下掘进前方构造的目的,为煤炭资源的安全高效开采提供地质保障[4]｡

煤矿生产过程中,掘进机截割头截割煤层产生随机性的地震波,由于在诱发震源位置重复截割､相互干涉导致形成超前地震波,向前方和侧方传播,安装在掘进巷道的传感器长时间连续采集超前地震波,在遭遇前方地质异常体后产生的回传波(反射波)和直达波[5]｡随掘地震监测技术原理,如图1所示｡

图1观测系统示意

由中煤科工西安研究院(集团)有限公司自主研发的随掘地震超前探测系统,已经在全国80%以上的大型煤矿进行成熟应用,为煤矿的快速掘进提供了可靠的地质保障｡曾经在淮河能源唐家会煤矿探测到不足1m的断层,并且成功验证｡同时借助于国家智能化矿井验收,该系统在验收标准中占有很大的分值比例｡该系统具有以下几个功能:(1)探测方式为实时探测,可靠探测距离>200m;(2)探测准确率>85%,能够探测落差2m以上的断层､陷落柱､岩浆岩､采空区等;(3)海量数据实时处理､动态成像,5min动态更新;(4)系统具有室内控制､故障自检和自动重启的无人值守特点｡

如果掘进机掘进前方有地质异常体,比如断层､陷落柱等,掘进机刀头与岩石摩擦产生的地震波传播到该位置时,会与构造的反射面产生作用,并产生发射波,检波器采集到这些反射地震波后,用专用的解释软件进行处理,会出现较大的偏移值,这些偏移值便是成像的异常点,其算法原理利用式(1)进行计算分析｡

平面内一点(x,y)上的偏移值[6]

大量的异常点会形成线条状的异常区,这一现象会直观地在处理软件中进行成像并且展示｡中煤科工西安研究院(集团)有限公司研发的该套系统的算法正是基于此原理,根据不同煤矿､不同地质情况､不同的震源(掘进机､放炮､盾构机等),对相关参数进行细微调整,从而得到可靠的原始数据[7]｡

2、滇中引水工程大理香炉山隧洞地质情况

滇中引水工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程,其中投入使用的“云岭号”TBM(盾构机)是当前世界引调水工程最大直径的敞开式TBM,也是为滇中引水工程大理一段施工3标香炉山隧洞量身打造的“利器”｡然而香炉山隧洞施工面临岩溶溶洞､破碎､涌水突泥､软岩大变形､活动大断裂､岩爆和高地震烈度带等技术难题,导致工期一再滞后｡因TBM庞大机身结构及施工特点,很多常规地质预报方法在TBM或盾构施工隧道内都无法使用或受到很大限制,专门针对或适合于TBM或盾构施工的地质超前预报技术及设备尚不成熟｡

针对复杂的地质问题,中铁隧道局香炉山隧道项目部也想尽了一切办法｡先后与山东大学､中铁西南院等单位进行科研攻关,采用了HSP水平声波剖面法隧道超前地质预报技术､SAP地震波法及TIP激发极化法等技术,取得了一定成果,但均不能实现实时动态预报TBM前方的地质情况｡

3、随掘地震探测观测系统布置

本次试验主要利用TBM掘进时产生的震动作为震源,探测掘进迎头前方的地质构造,即采用TBM随掘地震法开展掘进迎头超前探测｡试验段岩层稳定性差,破碎带厚(0.7~3m),且破碎程度高｡在TBM经纬网格钢架支护和喷浆完成后,进行打孔并安装锚杆,锚杆上接Y分量检波器｡

检波器安装位置,如图2所示,位于隧道迎头左侧下方,从TBM刀盘开始往后布置,按照Y分量(垂直侧壁)进行安装｡考虑到能量､波长等因素,道距设置为3m,测线长度为87m,如图3所示

图2检波器安装位置

图3随掘地震检波器排列示意图

实时数据通过中煤科工西安研究院(集团)有限公司自主研发的YSD-3采集站进行采集,并通过TBM网络系统传出隧道外,在办公室建立数据处理站并进行实时处理成像,如图4所示｡

图4观测系统拓扑图

4、数据采集

数据采集系统自2022-06-27T13:19:00起开始采集,采样率4000Hz,增益64dB,10min分段存储记录,截至2022-07-13,系统稳定运行16d,共计采集记录2189条,总计275GB｡从2022-07-04开始,检波器从Y分量调整为X分量,调整前得到的TBM直达波信号,如图5所示,传播速度约2350m/s,信号质量比较高,特别是优化提取后的TBM直达波信号信噪比很高｡主要原因是煤矿井下的围岩环境和隧道内有一定区别,对算法的一些关键参数进行了修改,如图6所示｡

图6调整为X分量后TBM直达波信号

5、处理成像

本次得到的有效炮集个数为58炮,TBM从4204m进到4228m,进尺24m｡反射波成像结果,如图7所示｡

图7反射波成像图

图7中成像图左侧为最后一次成像时TBM位置,左侧三角为观测测线位置;由于有效监测时间较少,成像结果中并没有强反射能量出现,迎头前方100m范围内,在4261m和4309m处有2处弱反射能量｡均在后期掘进过程中被揭露,如图8所示｡

图8揭露的岩体破碎带

6、结语

TBM隧道随掘超前探测试验结果表明,该系统运行稳定可靠,信号信噪比高,成像及预报结果与实际揭露情况吻合｡该系统以TBM掘进时截割岩壁产生的连续震动作为震源,对掘进设备关联度低,不需要在掘进设备上做任何改造或加装设备,通过连续高精度同步采集､在线高速传输､实时自动处理及“长曝光”叠加成像等技术,实现TBM掘进前方地质异常体的高精度实时监测,有效解决了TBM盾构施工过程中常规方法难以有效施展的难题｡该试验的成功,标志着随掘地震超前探测系统实现了矿井巷道和路桥隧道2种不同场景下,基于掘进震源的随掘实时超前地质预报系统的兼容,显示出该技术具有广阔的应用前景｡主要有以下4个特点:

(1)探测方式为实时探测,探测距离>200m,对岩层破碎及围岩急剧变化反应明显｡

(2)海量数据实时处理､动态成像,5min动态更新｡

(3)且具备室内控制､故障自检和自动重启功能｡

(4)以TBM掘进时截割岩壁产生的连续震动作为震源,对掘进设备关联度低,不需要在掘进设备上做任何改造或加装设备｡

参考文献:

[1]康红普,姜鹏飞,王子越,等.煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用[J].煤炭学报,2024,49(1):131-151.

[2]王季,覃思,吴海,等.随掘地震实时超前探测系统的试验研究[J].煤田地质与勘探,2021,49(4):1-7.

[3]李天斌,孟陆波,朱劲,等.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2429-2436.

[4]张文阳.随采随掘小煤柱巷道稳定性控制实践研究[J].煤炭技术,2023,42(11):40-43.

[5]张瑞,郭红星,马彦龙,等.顾桥煤矿随掘地震实时超前探测技术[J].现代矿业,2024,40(2):218-221.

[6]谷保泽,刘硕,刘海东.随掘地震在乌海矿区断层超前预测中的应用研究[J].煤炭技术,2024,43(1):90-95.

[7]关奇,吴国庆,王保利,等.煤矿井下随采随掘地震监测智能地质保障系统[J].智能矿山,2022,3(11):70-75.