槽波地震勘探在龙煤新发煤矿中的应用.pdf

1 5 O 东 娃茬 斜枝 2 0 1 6 年 第 1 期 槽波地震勘探在龙煤新发煤矿中的应用 马士趁 ，杨思通 ，马 云 1 ． 山东科技大学地质科学与工程学院，山东 青岛2 6 6 0 0 0 ； 2 ． 北京欧华联科技有限责任公司，北京 1 0 0 0 9 6 摘要在煤田的开发中，工作面内的小构造、异常体、煤层厚度变化等是需要解决的关键问题，而槽波探测则为这些问 题 的解 决提供 了重要的物探 方法 ⋯ 。该文 以龙煤新发煤矿 为例 ，论述井下槽波地震勘探技 术以其施 工方便 、受影响因素小、 解析精度高等优点，对预先超前探测巷道外未知区域和工作面内地质构造发育情况，对下一工作面和采区的设计、巷道掘 进、工作面的回采都具有十分重要的意义。 关键词新发煤矿槽 波地震勘探超前探 测地质构造 中图分 类号P 6 3 1 ．4 2 5 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ．2 0 1 6 ． O 1 ．0 6 5 Appl i c a t i o n of t he s e i s mi c pr o s pe c t i ng t hr o ugh t r o ug h wa ve i n xi n f a M i n e o f Lo ng m e i M a Sh i c h e n ， Ya n g S i t o n g ， M a y u n 1 ． S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , I n s t i t u t e o f Ge o l o g i c a l S c i e n c e s a n d e n g i n e e r i n g ， S h and o n g Q i n g d a o 2 6 6 0 0 0 ； 2 ． B e i j i n g O u h u a l i a n S c i e n c e A n d T e c hno l o g y L i mi t e d L i a b i l i ty C o mp any , B e i j i n g 1 0 0 0 9 6 Ab s t r a c t I t i s t h e k e y p r o b l e ms t o d e t e c t t h e s ma l l s t r u c t u r e ， a b n o r ma l b o d y a n d t h e c o a l t h i c k n e s s c h a n g e s i n t h e d e v e l o p me n t o f c o a l mi n i n g ， a n d c h a n n e l wa v e d e t e c t i n g p r o v i d e s i mp o r t an t g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n me t h o d s t o s o l v e t h o s e p r o b l e m s ． Th i s p a p e r t a k e s x i n f a mi n e o f L o n g me i a s a l l e x a mp l e ． Un d e r g r o u n d c h a n n e l wa v e s e i s m i c e x p l o r a t i o n t e c h n o l o g y wi t h i t s s o n g p o i n t o f c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n ， r a r e i n f l u e n c i n g f a c t o r s a n d h i g h a n a l y t i c a l p r e c i s i o n ， e t c ， p r e d e t e c t d u n k n o wn o u t s i d e o f r o a d wa y a n d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e d e v e l o p me n t c o n d i t i o n i n s i d e ， wi t h gre a t s i g n i fi c anc e o f n e x t wo r k i n g f a c e d e s i gn ， t h e r o a d wa y h e a d i n g an d mi n i n g f a c e r e c o v e r y ． Ke y wo r d s x i n f a mi n e i n - s e a m S e i s mi c e x p l o r a t i o n p r e d i c t i o n a h e a d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e 随着煤矿生产安全要求和机械化程度的提高 ， 工作面内部小构造引起的安全和生产问题越来越突 出 E 2 J 。在综合机械化采煤的过程 中，常常因为不 能准确预测工作面前方的地质异常体以及其位置、 规模大小、从而造成巨大的经济损失，严重的还会 造成人员伤亡。在诸多的物探方法中，槽波地震勘 探以其分辨率高、探测距离大，能够探明煤层的不 连续性 ，如断层破碎带、煤层厚度变化、夹矸层分 布、剥蚀带和岩墙构造等，已经成为最受各国关注， 也是最有发展前途的一种井下物探方法 J 。 1 槽波的形成及分类 槽波地震勘探是地震勘探的一个分支。它是利 收稿 日期2 0 1 5 1 0 1 0 基金项 目 国家 自然科 学基金 4 1 2 0 4 0 7 7 作者简 介马士趁 ，男，山东济宁人 ，在读硕士研 究生，主要从 事综合地球物理勘探方面的研究。 用在煤层中激发和传播的导波来探明煤层的不连续 性。当煤层中激发的体波 ，包括纵波和横波经过顶 底界面的多次全反射，激发的能量最终被禁锢在煤 层及其邻近的岩石中，不向围岩辐射 ，而在煤槽中 相互叠加 、相长干涉 ， 形 成了一个较大 的干涉扰动 ， 即槽波 ，如图 1 所示。 图 1 槽 波形成示意 图 根据极化特征和物理构成 ，槽波分为洛夫型槽 波 L o v e 型波 ，简称 L波 和瑞 利型槽 波 R a y l e i g h 型波，简称 R波 两类。 洛夫型槽波是由只有 Y分量 的唯一的 S H波在 2 0 16 年 第 1 期 山 童 娃晨 斜技 1 5 l 煤层中干涉形成，所以 L波在煤层中传播，介质质 点仅在平行于煤层面内和垂直于波传播方 向上振动 [ 5] o 瑞利型槽波是由 P波和 S V波相互叠加、相互 干涉形成的波动 ，质点在与煤层面相垂直、与传播 方向平行的平面内振动。因为既有水平分量又有垂 直分量 ，所以瑞利型槽波质点振动的轨迹一般呈逆 行 的不规则 的椭 圆状 。 反射法主要用于探测煤层内的各种大、小正断层和 逆断层以及侵入体和岩墙等 [ 8 ] 。 ＼ 2 槽波地震勘探方法 3 实例分析 槽波探测的基本方法有两类 透射法和反射法。 在煤层 中激发的槽波当沿着煤层传播时，如果工作 面或巷道前方煤层波导被完全阻断，那么槽波就不 能有效地透过异常体 ，不能形成透射槽波，但可以 形成反射槽波，当部分被阻断时 ，能观察到较弱的 透射槽波 J 。 2 ． 1 透射槽波法 采用透射法探测时，震源与检波器排列分别布 置在不同的巷道内，如图 2所示。根据透射槽波的 有无 、强弱及运动学、动力学参数 ，来判断震源与 接收排列间所被射线覆盖的区域有无地质异常。当 断层落差大于煤厚时，煤层波导被完全阻断，一般 接收不到透射槽波；当落差为煤厚的 3 0 ％～ 7 0 ％时， 煤层波导被部分阻断 ，接收到的透射槽波能量相应 减弱。透射法主要用于探测工作面内地质构造和内 部异常 ，包括煤层厚度变化 ，夹矸分布 ，大小断层， 陷落柱 ，老窑等 。 蚝点 炮点 控藏■荐到检被■{ I 列 图 2 透射 法原理 图 2 ． 2 反射槽波法 采用反射法探测时，震源与检波器排列布置在 同一巷道内，如图 3所示。槽波反射法是根据是否 接收到非巷道反射槽波来确认前方是否存在煤层的 不连续性。当断层落差接近或大于煤厚时 ，波导被 完全阻断，会有明显的反射槽波返 回；当落差较小 时，接收到的反射槽波信号会相应减弱；当落差更 小或者没有断层时， 检波器就不会接收到反射槽波。 由于巷道内的反射槽波容易判别 ，所以不予考虑。 图 3 反射 法原理 图 3 ． 1 工作 面概 况 龙煤新发煤矿西三采区 2 9 右二回采工作面根 据揭露的煤层和钻孔资料，2 9 煤层纯煤厚 1 ．4 7 m， 有多层煤质页岩、凝灰质砂岩等夹矸，属于复杂结 构。顶、底板均为细砂岩，局部不稳定，有变厚和 变薄的现象。 2 9 煤层煤质较好， 呈单倾斜赋存状态， 煤层倾角因断层影响而局部将发生变化。 该工作面西侧有 F 5断层，走 向近南北方 向， 落差为 5 0 m，倾角为 6 0 。 ；东侧有 F 7断层，落差 为 7 0 m，倾角为 6 0 。 ；工作面东侧有 N1 、N2和N3 断层 ，N1 断层走向 1 2 2 。 ，中间落差达到 2 5 m，倾 角 3 3 。 ；N2断层走向 1 2 3 。 ，倾角 8 3 。 ；N3 断层 走向 1 1 4 。 ，倾角 6 2 。 。在工程施工过程中，将会 遇到 N1 正断层 ，将对生产带来一定影响 ，因此该 区域地质构造较为复杂。该掘进地质块段水文地质 条件简单。 根据测区煤层及围岩的密度、 P波和 S 波速度、 煤层厚度及结构等资料，从理论上计算它的频散曲 线及振幅分布曲线，乃至合成槽波记录，预测槽波 尤其是埃里震相的速度、频散特征与振幅分布，选 择最佳的激发接收条件以指导设计和施工。本次探 测依据矿方提供的资料对槽波的特性进行了简单的 分析，本次槽波的频率范围为 1 0 0 ～ 8 0 0 H z ，夹矸厚 度变化严重影响频散曲线 ，槽波能量主要集中在煤 层 中心 。 3 ． 2 观 测 系统设 计 由于西三采区 2 9 右二 回采工作面 内夹矸石厚 度较大，而已揭露断层断距较大，考虑本次勘探的 目的与任务拟采用透射、反射联合勘探法进行观测。 在该工作面 2 9 “ ／ 右一巷布置了炮点 3 0 个 ，其中第 1 O和 1 1 个炮点未施工 ，实际有效炮为 2 8 个 ，2 9 “ ／ 右一斜上巷布置了 8 个炮点 ，故本次施工共 3 6个 有效炮点。在工作面 2 9 右一巷和 2 9 ／ 右二巷分别 2 0 1 6年第 1 期 童 媳晨 斜 技 1 5 5 期综合地面及井下打钻资料，证实 2 4 0 2 异常区 内发育断层组 ，断层最大落差达到 2 5 m，且井下打 钻单孔涌水量最大达到了 2 2 m ／ h ，地面瞬变电磁探 测实际效果明显 ，为井下探放水和底板注浆加固提 供了主要方向。 5 结束语 本文通过研究瞬变电磁法探测的原理，在研究 分析矿区地层地电特征基础上，选择合适的装置形 式、采样间隔、采样时间等 ，对取得的数据分析基 础上，圈定了本工区 2煤底板灰岩含水层富水区域 范围，通过后期地面钻探及井下探放水验证 ，与实 际揭露情况吻合较好，说明地面瞬变电磁法在探测 浅层煤层底板含水层富水性中应用的有效性及可靠 性 。 【 参考文献 】 [ 1 ] 蒋邦远 ． 实用近区磁源瞬变电磁法勘探[ M] ， 北京 地质 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 2 ] 李志聃，煤田电法勘探 [ M] ． 中国矿业大学出版 社 。 1 9 9 0 ． [ 3 ] 张保祥，刘春华，瞬变电磁法在地下水勘查中的 应 用综述 [ J ]． 地球物理 学进展，2 0 0 4 3 5 3 7 - 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