矿用地质超前探测装置

一、地质超前探测应用场景

我公司研发的地质超前探测装置，搭载于TBM/盾构上，用于探测隧道前方的不良地质体。适用于盾构、TBM隧洞与煤矿巷道。

全断面岩石掘进机TBM因具有安全、高效等显著优势，被广泛用于地下工程建设中。然而，地下地质条件复杂，如未能提前探明隧道前方的软弱岩体、断层破碎带、灾害水体等不良地质，在TBM施工扰动影响下，极易发生塌方、突涌水等灾害事故，带来经济损失、人员伤亡和工期延误等。如智利Los Bronces煤矿采用4.5 m双护盾TBM施工，在遭遇断层时发生连续坍塌，导致护盾被卡；在国内，昆明掌鸠河引水隧洞TBM 掘进遭遇8次严重卡机事故，严重损坏TBM并最终导致其被拆除。综上，开展地质超前探测，是确保TBM掘进安全的重要前提。

针对地下工程的地质超前探测研究，发展了多类型的超前探测方法与技术。根据探测方法的物性基础，主要分为地震波类、电磁波类、电法类等多种探测方法。其中，地震波方法因具有探测距离远、对地质界面更敏感等优势，被广泛用于隧道超前地质预报。如山东大学研发的Seismic Ahead-prospecting (SAP) 技术，其在隧道边墙上阵列布置震源点和接收点，通过锤击激发地震波进行探测，观测数据经过处理后可获得不良地质分布情况。

二、工作原理

我公司研发的装置采用前述地震波方法进行地质超前探测，具有主动源和被动源2种工作模式。工作原理如下：

主动源地质超前探测技术是通过单次冲击震源产生地震波，地震波在岩体中传播过程中遇到阻抗异常体产生反射，通过地震波探测仪器装备拾取地震波信号，再通过地震数据分析与处理算法，对不良地质体进行成像，预测不良地质体形态及位置。

主动源采集模式使用人工锤作为震源时，按照观测系统设计在现场布设激震点，然后利用大锤敲击激震点，产生向外传播的地震波。

将其中1个矿用三分量加速度传感器作为触发传感器，捆绑在震源上，检测震源激发的振动信号，并提供触发信号给装置主机。根据设定的采样时间和采样率，装置主机同步采集12个矿用三分量加速度传感器检测到的振动信号，采集的信号存储在装置主机内。

主动源原理示意图

主动源观测系统布置示意图

被动源地质超前探测技术是利用掘进机掘进破岩过程中产生的震动信号，通过地震波拾取装置获取刀盘震动信号及其在岩体中的传播的地震波，然后对信号进行分析处理，达到获取前方不良地质状况的目的。

被动源模式利用刀盘掘进破岩震动作为震源，可以随TBM/盾构机掘进边掘边探，是一种适应TBM/盾构机施工的探测方法。

将其中1个矿用三分量加速度传感器作为先导检波器安装在TBM刀盘附近，根据设定的采样率，装置主机可持续同步采集13个矿用三分量加速度传感器检测到的振动信号，采集的信号存储在装置主机内。

被动源原理示意图

被动源探测示意图

被动源观测系统布置示意图

装置构成

装置由矿用隔爆兼本安型地质超前探测主机（DTC-100-Z）、煤矿用聚乙烯绝缘编织屏蔽聚氯乙烯护套通信软电缆(MHYVRP)、矿用本安型三分量加速度传感器(GHD-24)构成。

装置框图

装置最大接入容量：装置最多允许接入1台DTC-100-Z矿用隔爆兼本安型地质超前探测主机和14个矿用本安型三分量加速度传感器。

      装置主机                 传感器                    连接图

装置主机由隔爆箱体、工控机、采样系统、本安电源、隔离变压器等构成。主要用于接收来自传感器的振动信号，并存储在工控机中。

传感器用于拾取地震波信号，并转换为模拟信号，传输至装置主机。

工作方法

应根据现场实际情况，在掌子面附近的左右边墙上布置震源激发点，激发点的间距为1~2m，共布设12个激发点，分布在隧洞两侧边墙。在激发点后方10~20m处开始布置检波器，检波点一般呈线性排列，共布设两条测线，检波点之间的间距一般为1~4m，激发点与检波点布置完成之后，利用全站仪等设备对每个点的位置进行定位并记录坐标点。观测系统布置完毕后，进行设备检查与测试。若设备检查无异常，则开始数据采集，在每个激发点上叠加采集3次质量较佳的数据，直至全部激发点均采集完成，将数据妥善整理与存储，结束现场数据采集工作。

   (a) 观测系统俯视图

   (b) 观测系统侧视图

预报成果

收集的数据经专门的分析软件进行处理，形成预报成果图。分别为纵波深度偏移剖面，纵波反射面，波速、泊松比、密度曲线和反射面三维成像图。

通过对预报成果图的分析处理，结合洞内开挖段地质情况、地质勘测资料，对掌子面前方100m范围内围岩地质形成预报成果书。