MSP巷道超前探测技术在新桥煤矿的应用.pdf

2 0 1 1 年第4 期 中州煤炭 总第 1 8 4 期 MS P巷道超前探测技术在新桥煤矿 的应 用 张建 英 ， 岳 崇 岩 河 南煤 业化 _Y -集 团 永煤 公 司 新桥 煤 矿 ， 河 南 永城4 7 6 6 0 0 摘要 新桥煤 矿南一采 区胶带上 山施X - 过程 中， 巷 道掘进面砂 岩裂 隙发 育， 顶板 淋水大 。结 合矿 井生产地质 条 件 ， 实 施 了井 下 MS P矿 井震 波超 前 探 测 ， 并 进 行 了钻 探 验 证 ， 取 得 了 较 好 成 果 ， 证 实 了地 球 物 理 探 测 方 法 在 一定 范围内可 以对矿 井地质 构造 和异常 区进行 较为准确的超前预测。 关键词 M S P超前探测 ； 地质构造 ； 钻探验证 ； 注浆加 固 中 图分 类 号 P 6 3 1 ． 4 文献 标 识 码 B 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 01 1 0 40 0 4 30 2 新 桥煤 矿是 河南煤 业 化工集 团永 煤公 司在 永城 地 区开 发建设 的第 4对 大 型现代 化矿 井 。井 田南 北 走 向长 1 4 k m， 东 西 倾 向宽 1 ． 6～4 ． 0 k m， 面 积 3 6 k m。 ，工业储 量 1 6 4 0 5万 t ， 煤 种 为 国 家重 点保 护 和 优先开 采 的贫煤 和无 烟煤 。年设 计 生产 能力 1 2 0万 t ， 服务年限为 5 6 ． 6 a 。二 煤层 占全井 田地质储量 的 8 0 ％ ， 层 位 稳 定 ， 结 构 简 单 ， 煤 厚 平 均 2 ． 8 7 m， 倾 角一般 在 1 5 。 ， 瓦斯 低 ， 煤 层不 自燃 。该 井 田为 全 隐 蔽式煤 田 ， 煤 系地 层为 巨厚 的新 生界 地层所 覆 盖 ， 埋 藏 深 ， 倾 角较缓 ， 矿 井采用 立 井 一5 5 0 m 单 水平 上 下 山开拓方 式 。 新桥 煤矿南 一 采 区胶 带 上 山沿 二， 煤 层 7 。 上 山 掘 进 ， 施 工过 程 中煤层 顶 板 砂 岩 淋 水较 大且 岩 性 较 破碎 。根 据地 面 三 维 勘 探 资 料 显 示 ， 掘 进 前 方 2 0 0 m处将 揭露 1 条 落差 为 3 0 m 的正 断层 ， 推测 该断 层 位置 可能摆 动 ， 或者 前 方 可 能存 在 大 断 层 伴 生 的 次 生小 断层 。为 防止 断层 导 通 底 板 灰 岩水 ， 施 工 了井 下 MS P Mi n e S e i s m i c P r e d i c t i o n 巷 道 超 前 探 测 ， 并 进 行 了钻探 验证 ， 取得 了较好 效果 。 1 地质及水 文地质情 况 新桥 矿 区属 华 北 地 层 区鲁 西 分 区 、 徐 州 小 区 。 缺失 上奥 陶统 至 下 石 炭 统 和 三叠 系 至 古 新 统 等 地 层 ， 地 表被 第三 、 四系松散 沉积 物覆 盖 。矿 区地层 自 下而 上分 为 中奥 陶统 0 ， 中 、 上 石 炭统 C 、 C ， 二叠 系 P 和新生 界 K z 。新桥 井 田处 于永城 复式 背斜西 翼南段 ， 井 田南 、 北 、 西界 均 被 高 角 度 正 断层 收 稿 日期 2 0 1 01 2一l 2 作者简介 张建英 1 9 8 5 ， 男， 甘肃金 昌人 ， 助理 工程师 ， 2 0 0 9年 毕 业 于 中 国 矿业 大 学 ， 现从 事 煤 矿 地 质 、 防治 水 管 理 工 作 。 切割 ， 地层 总体 呈 北 北 东 向展 布 ， 次级 褶 皱 发 育 ， 为 倾 向北西 的单 斜构 造 ， 并 伴 有 一 定 数 量 的 与地 层 走 向近于平 行 的正 断层 ， 构造 线 与永 城 复 式 背斜 轴 向 大体 一致 ， 构 造类 型为 Ⅱ- 2型 。 井 田北部 与西 部 由 F 。 。 、 F 。 ∞正 断层 组 成 隔水 边 界 ， 南 部 F 正断 层沿 北西 向延 伸 ， 成 为 良好 的隔 水 边界 ； 东 界为露 头 地 段 ， 灰 岩 分 布 面积 有 限 ， 上 覆 巨 厚 的新 地 层 为 2 7 2 ． 2 0～3 9 9 ． 9 0 m， 平 均 厚 3 4 1 ． 7 9 m。新生 界底 部普 遍 发 育 Ⅳ一 2隔 水 段 ， 一 般 厚 9 0～ 1 5 0 m， 有 效 阻隔 了上 部 水 的垂 直 下 渗 ， 使 井 田形 成 北 、 西 、 南 三面封 闭 较 好 、 上 部 受 阻 的独 特 的水 文 地 质 特征 。煤 系下 伏地 层 为太原组 ， 含 灰岩 9～1 3层 ， 基 底为 奥 陶系 灰 岩 。井 田 自上 而下 可 划 分 为 l 0个 含水 组 ， 3个 隔水层 段 ， 矿 井水 文地 质条 件 复杂 。 2 MS P超 前 探 测 矿井 震波 超 前 探 测 MS P ， 是 应 用 地 震 波在 传 播过 程 中遇 到 不 均 匀 地 质 体 存 在 波 阻抗 差 异 时 发生 反射 的原 理 ， 结合 沿 巷 道 后 方 布 置 震 源 和传 感 器来 探测 巷道 前方 地质 条件 和水 文地 质条 件 的探 测 方 法 。 2 ． 1 测 线布 置 与数据 采 集 在 南一 采 区胶带 运输 上 山掘 进 面 ， 现 场 布 置 2 0 个炮 点 和 2个 检 波 点 ， 炮 点 和 检波 点 都 布 置 在胶 带 巷 的右 帮 。2个 检 波 点 分 别 为 C 、 C ， 均 布 置 在 右 帮 ， 传 感 器 及 炮 孔 顺 序 和 方 位 如 图 1所 示 ， 炮 点 尸 。 一尸 。 布 置在 右 帮 ， 设计 炮 间距 2 m。其 中 ， C ． 传 感器 距离 P 。 号 炮 点 1 1 ． 7 m，P 在 掘进 面处 ， c 距 掘进 面 5 8 ． 1 5 m， 共 采集 1 2 0组 数据 。 2 ． 2 数据 处理 ．43 ． 2 0 1 1 年第 4 期 中州煤炭 总第 1 8 4 期 数 据处理 时统 一 以 C 检 波 点对 应 巷 道 的 中点 为坐标 原点 ， 以巷 道 前 方 为 轴 正 方 向 ， 指 向顶 板 方向为 y轴正方向， 以指 向左帮为 z轴正方向建立 坐标 系 ， 分别确 定 炮 点 和检 波 点 的 坐标 。其 处 理 流 程 为 数据 预处 理一 频 谱分 析 一 直 达 波求 取 一 反 射 波 提取一 速度 分析一 深度 偏移一 界 面提取 。根 据速 度谱 ， 同时结合现场岩性情况以及 以往探测 的验证 结果 ， 此 次 MS P探 测 取 综 合 速 度 为 2 ． 5 m ／ ms 进 行 偏 移处理 。 圈 1超前探测布置示意 频 谱分 析 处 理 。利 用 F F T工 具 对 该 巷 道 采 集 的地震 波形 进行 频 率域 分 析 ， 掌 握 巷 道在 炸 药 震 源 条件 下的地 震波 主频 分布范 围 。图 2为地震波 形 的 频谱 分析 图 ， 从 图 2可 以看 出主 频 范 围为 5 0～3 2 0 H z 。其 中 、 y分量频率相对丰富， 有利于 目标体的 分辨 ， 而 z分量频率相对较低。 图 2胶带 下山巷道地震 波形 的频谱分析示意 图 3为 此 次 采 集 地 震 波 形 和 直 达 波 速 度 求 取 图。采用 各记 录源 检距 和初至 到时 可拟合 成直 达波 初 至直线 ， 从 图 3中可 以 看 出 直 达纵 波 速 度 为 2 ． 5 m ／ m s 。利用 直达 波 速 度 可 基 本 确 定该 探 测 区域 速 度 范 围并 作 为深度偏 移 时 的速 度背 景值 。 深 度偏移 处 理 。深 度偏 移 处 理 为 MS P处 理 的 核 心部 分 ， 目的是 在 给定 速 度 模 型 的条 件 下将 来 自 前 方介 质 的反射 能量偏 移归位 至 空间点 上 。以此成 果 图件 为基础 提取 巷道前 方反 射界 面 ， 如 图 4所 示 。 基于直达波速度 ， 此次均匀速度背景值取值为 1～ 3 m／ ms 。此 次探 测介 质 为煤 ， 探 测 距 离 相 对 较 近 ， 整 ． 44 ． 体探测距 离 为 2 0 0 m， 其 中 已揭露 区 5 8 ． 1 5 m， 未揭 露 区 1 4 1 ． 8 5 i n。 图 3 现场实采波形及直达波速度拟合示意 图 4反射界面提取剖面示意 2 ． 3结果解 释 从 反射异常界 面提取剖 面 图 4 可 以看 出 ， 在巷 道前 方 共存 在 5处 反射 异 常带 ， 分别 命 名 为 R 。 、 R 、 尺 、 R 和 。当 日掘进 面在临 时导线 点前 2 ． 4 m。 1 异 常带 在距 离 当． 日掘进 面 0～1 3 m处 ， 该异 常一 部 分 原 因分 析 为 掘 进 面 的反 射 产 生 的 影 响 ， 另一部 分原 因 推 断可 能受 掘进 面 往 前 方 布置 的 钻孔 使局 部位 置产 生破碎 产生 的影 响 。 2 异 常 带 ，在 距 离 当 日掘 进 面 l 9～2 3 m 处 ， 分析 为小 构造产 生 的反射 界面 。 3 异 常 带 R 在 距 离 当 日掘 进 面 4 7～5 2 m 处 ， 该异 常界 面反射 的能量 相 对较强 ， 分 析为 断层或 者 是其他 构造 产生 的反 射 。 4 异 常 带 在 距 离 当 日掘 进 面 6 2～7 7 m 处 ， 从 波形 的频率 上 分 析 ， 该 界 面 的频 率 很 低 ， 因此 分 析为 岩性破 碎带 产生 的影 响 。 5 异 常带 在 距 离 当 日掘 进 面 9 8～1 1 7 m 处 ， 该 界面距 离探 测点 较远 ， 并且 受 R 界 面的影 响 ， 波形往远处传播的能量相对较小 ， 但是该界面 的反 射相对较强， 因此可 以推断该位置为较大构造影响 的体现 。 根 据 探 测结 果 显示 ， 特别 提 醒 注意 的位 置是 距 离 当 日掘进 面 4 7～ 5 2 m、 6 2～ 7 7 m 下转 第 5 2页 2 0 1 1 年第4 期 中州煤炭 总第 1 8 4期 1 1 g l { 嘲 图 2巷 道 表 面 位 移 曲线 a 原方案顶板支护效果 b 新方案顶板支护效果 图 3巷道顶板支护效果对 比 6 结论 1 锚 索钻 孑 L 与 砂岩 裂隙水 沟通后 ， 直 接顶 泥 岩被 裂 隙水浸泡 软 化 ， 产 生 大 量 微 孔 隙 ， 体 积膨 胀 ， 导致 其强 度大 大降 低 ， 是 巷 道 顶 板破 碎 进 而 发生 冒 顶 的根 本原 因。 2 W 钢带 护表 面积 大 ， 护表 作 用强 ， 菱 形金 属 网 网孔 变小 后护 顶更加 严 密 ， 两 者配合 使用 ， 能 够提 高支护 强度 ， 使 围岩趋 于稳 定 。 3 采用 新 的锚 杆 锚 索 支 护 方 案 后 ， 通 过 提 高 现场施工质量 ， 支护强度得到了进一步改善 ， 有效地 控 制 了巷道 围岩 变形 ， 为类 似 条 件 下 的巷 道 支 护提 供 了有益 借鉴 。 参 考文 献 [ 1 ] 黄宏伟 ， 车平． 泥岩遇水软化微观机理研究 [ J ] ． 同济 大学学 报 自然科 学版 ， 2 0 0 7， 3 5 7 8 6 6 ． 8 7 0 ． [ 2 ] 范一林 ， 李青云 ， 陈智勇， 等 ． 水布垭 页岩软化特性 的微 观研 究 [ J ] ． 长江科学 院院报 ， 1 9 9 8， 1 5 3 4 7 ． 责任 编辑 秦爱新 上 接 第 4 4页 和 9 8～1 1 7 m 处 ， 即分 别 是 界 面 尺 ， 、 R 和 ， 这 3个 异 常 带 在 波 形能 量 上 反 映 比较 强 ， 应注 意加强 这 3区段 的观察 ， 做 好预 防工作 。 3 钻探验证 根据 MS P 巷 道 超 前 探 测 的 解 释 结 果 ， 利 用 MK D - 5 S煤 矿 用 坑 道 钻 机 向 巷 道 前 方 施 工 3个 钻 孑 L ， 对前 方物 探 异 常 区 进 行 钻 探 验 证 ， 确 定 断 层 位 置 ， 并对 断层破 碎带 进行 注浆 加 固。 经钻 孔探查 ， 3个 孔分 别在 2 7 ， 2 6 ， 4 2 m 处 出现 严 重塌孔 ， 3号孔 在穿 过塌 孔位 置 后二 次 见 煤 ， 判 断 为 断层下 盘煤 。各 钻 孔 的塌孔 位 置 经 过 曲线 拟 合 ， 确 定 出断层 的延展 方 向 ， 根 据 3号孑 L 揭 露 两 盘煤 层 的对 比 ， 确定该 断 层落差 8 ． 5 m 图 5 。 5 2 图 5 钻 孔平面布 置示意 经 钻 探 资料 分 析 ， 对 巷道 掘 进 前方 的构 造 和异 常 区进 行 了预测 图 6 。MS P超 前探 测结 果解释 的 5个 异常带 中 ， R 、 R 异常 带 为岩 性 破碎 区 ， 异 常 带 确定 存在 断层 ， R 、 尺 ， 异 常带 有 待进 一 步 验证 ， 或 是 在巷 道掘 进过 程 中超 前 预 防。 47 0 48 O -．49 0 一50 0 篓 。 一52 0 -53 0 54 0 图 6综 合 预 测 剖 面 示 意 4 结 语 M S P巷 道超 前 探 测 可 作 为 掘 进 工 作 面 前 方 探 测异 常 区和构造 的一 种较 为 理 想 的辅 助工 具 ， 其 准 确度 主要取 决 于波速 与井 下参 数 的设 置 。物探 技术 只是 一种探 测 手段 ， 最 主要 是 多 应 用 于实 践 。经 过 钻探验 证 和实 际揭 露 后要 不 断归 纳 总结 ， 通过 各 种 途径 掌握 矿井地 质 资料 ， 提高分 析 能力 ， 使 物探成 果 更能接近实际 ， 使其在矿井生产中发挥更大的作用。 责任 编辑 梁郁 鑫