地质雷达和瞬变电磁法：地下水体、断层破碎带和采空区的探测方法

目前瓦斯隧道施工阶段的超前地质预报可采用地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法,各预报方法应包括以下内容。

①地质调查法:包括隧道地表补充地质调查、洞内开挖工作面地质素描和洞身地质素描、地层分界线及构造线的地下和地表相关性分析、地质作图等。

②超前钻探法:包括超前地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄影等。

③物探法:包括弹性波反射法(地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和极小偏移距高频反射连续剖面法等)、电磁波反射法(地质雷达探测)、高分辨直流电法等。

④超前导坑预报法:包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法等。

下面就各种方法进行简单介绍:

1)地质调查法

地质调查法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和瓦斯隧道内地质素描,通过地层层序对比、地层(煤层)分界线及构造线地下与地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等,利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等,推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况的一种超前地质预报方法。 地质调查法适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报。 其相关技术要求按《铁路隧道超前地质预报技术规程》办理。

2)弹性波反射法

弹性波反射法包括地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和陆地声呐法等方法,适用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围。

瓦斯隧道宜采用HSP 和TSP 法对软弱夹层、煤层、采空区或破碎带进行预报,每次预报距离宜为50 ~120 m(根据现场采集数据质量进行判定),前后两次搭接长度10 m 以上。 其相关技术要求按《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217—2015)办理。

(1)HSP 预报原理

水平声波剖面法是一种典型的弹性波反射法,主要利用声波或地震波传播过程的反射原理进行地质预报。 作为典型的弹性波,声波传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理。 在任意介质中传播的声波当其传播到该介质与另一介质的分界面时,一部分产生反射,且波阻抗变化越大,反射越明显,在钻爆法隧道HSP-D 预报法利用在开挖工作面后方两侧边墙脚位置阵列式布设声波激震点和接收点,通过分析接收到的反射波信号分析岩体中存在的不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等。

实施时,在开挖工作面后方两侧边墙脚位置分别布设激震点和接收点,其中,接收点不少于6 个,源震点不少于10 个,确保有效记录道不少于72 道。 接收检波器等间距各布置在左右边墙(左右边墙各不少于3 个);按间距1.5 ~3 m(结合现场实际情况,但不小于1.5 m)布设不少于10 个(左右边墙对称布置)震源激发点,可采用锤击、电火花或炸药进行震源激发。

分析时,对单道记录进行滤波、压制干扰和指数增益调整;对于每一道不同炮的记录和每一炮不同道的记录进行对比分析,以规律性好、重复性好的记录道进行成像处理;结合实际开挖面岩体情况,选择合适的速度范围,进行速度分析与聚焦成像联合反演;应用反演三维成像成果、波速、泊松比和动态杨氏模量等参数特征,结合开挖工作面地质素描和区域地质资料,进行开挖工作面前方的地质判释和预报。

HSP 反射法地质预报工作原理,如图6.1 所示。

图6.1　HSP 反射法地质预报工作原理图

(2)TSP 预报原理(www.xing528.com)

TSP 地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特征来预报隧道掘进面前方及周围邻近区域的地质状况,作为中长期地质预测预报方法,它可以有效预测80 ~120 m 范围内的地质体的特征。

实施时,人工制造一系列有规则排列的轻微震源,由三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、岩溶面特别是断层破碎带界面等)被反射返回的地震波数据。 这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的,通过分析可得到前方地层的地质力学参数。 图6.2 为TSP 探测原理示意图。

图6.2　TSP 探测原理示意图

3)地质雷达法

地质雷达法主要用于采空区,也可用于断层破碎带、煤层和软弱夹层等不均匀体的探测,每30 m 一次,前后两次搭接长度为5 m 以上。 其相关技术要求按《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217—2015)处理。

地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描,以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。 其工作原理为:高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射,经目标体反射或透射,被接受天线所接收,具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。 检测时采用剖面法,即发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的测量方式,高频电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化,由此通过对时域波形的采集、处理和分析,结合施工单位提供的设计资料,可确定掌子面前方围岩状况。 其结果可用地质雷达时间剖面图像表示,其中横坐标记录了天线在隧道掌子面的位置,纵坐标为反射波双程走时,表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。 这种记录能准确描述测线下方各反射界面的形态。 地质雷达的工作原理,如图6.3 所示。

图6.3　探地雷达反射探测系统及反射剖面示意图

4)瞬变电磁法

瞬变电磁法适用于探测任何地层中存在的地下水体、断层破碎带、采空区富水等。 每次预报距离采用80~100 m,前后两次搭接长度不小于30 m,但是由于测量线圈和发射线圈的面积及匝数不同,致使前方存在不同深度范围的盲区(多为20 m),盲区段落的数据不能参与资料解释。 其相关技术要求按《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217—2015)处理。

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods,TEM),它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。 简单地说,瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。 衰减过程一般分为早期、中期和晚期。 早期的电磁场相当于频率域中的高频成分,衰减快,趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分,衰减慢,趋肤深度大。 通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特征。 瞬变电磁法对低阻体反应敏感,可查明含水地质体。

5)超前地质钻探法

超前地质钻探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报,富水软弱断层破碎带、采空区地下水富集区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂的地段必须采用。

多采用冲击钻和回转取芯钻,验证中近距离物探超前探测存在异常的地段。 煤层位置预报时,在接近煤层前15 ~20 m(垂距)处的开挖工作面钻1 个孔,初探煤层位置,在距煤层10 m(垂距)处的开挖工作面钻3 个孔,分别探测开挖工作面前方上部和左右部位煤层位置,超前钻孔均应穿透煤层并进入顶(底)板不小于0.5 m,钻孔直径不小于φ76,其他要求严格按照设计和规程执行。

图6.4　隧道超前地质预报工作程序图

6)加深炮孔法

加深炮孔法是利用在隧道开挖工作面上钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法,适用于各种地质条件下的隧道超前地质探测,尤其适用于破碎带、煤层或采空区等地下水富集区。 在每一循环钻设炮孔时布设3 ~5 个加深炮孔,较循环进尺加深3 m 以上作为探测孔。