高精度震波技术在探测岩溶裂隙中的应用和研究.pdf

U l‘ 1 u J C h i n a N e w T e c h n o l o g i e s a n d P r o d u c t s 工 程 技 术 高精度震波技术在探测岩溶裂隙中的应用和研究 宋 晓筑 松藻煤电公司石壕煤矿科技办公室， 重庆 4 0 1 4 4 9 摘要 利用地震波进行岩巷超前探测与解析技术， 在煤矿井下探测碛 头前方的岩溶裂隙， 通过 实际探测 ， 证 明利用震波技术能够较 好地探测岩溶裂隙的存在 ， 提高矿井掘进碛 头超前地质预报准确性 ， 防止瓦斯和水害事故发生有较好的作用。 关键词 震波技 术； 超前探测 ； 岩溶裂隙 中图 分类 号 F 4 1 6 ． 1 1 概述 随着掘进技术的发展和高产高效矿井的建 设， 传统的钻探和打探眼已不能满足生产需要， 因此，研究应用超前探测技术及时掌握碛头前 方岩溶裂隙的发育隋况，防止瓦斯和水害事故 发生 ， 提高掘进效率， 从而可以解决矿井地质探 测中的一大难题。 2石壕煤矿的概况 石壕煤矿是设计年生产能力 9 0 万吨年 的 重庆市第二大生产矿井， 现正井行技改扩能， 预 计 2 0 1 3 年生产能力达到 1 8 0 万吨年 。所采煤 层为二叠系上统龙潭组煤层， 主采 M 8 煤层。主 要开拓巷道布置在二叠系下统茅口组灰岩中。 石壕煤矿地质条件复杂 ， 采煤工作面小断 层多，布置主要开拓巷道的茅 口 组石灰岩中岩 溶裂隙非常发育， 其内储存瓦斯和水 ， 多次造成 安全事故。根据石壕煤矿茅 口巷施工的资料分 析总结， 每施工 l O 0 0 m茅 口巷， 要揭露 5 1 0 条 不同性质的地质构造 ， 统计有 7 0 ％的构造无大 的瓦斯和水影响， 3 0 ％的构造有瓦斯和水涌出， 有的地质构造是瓦斯和水分别涌出， 有的构造 是瓦斯和水同时涌出。 随着矿井向下水平延深， 北三区逐渐接近大木树向斜，茅口地层岩溶裂 隙瓦斯和水压力压强增大， 在茅口巷施工， 一旦 揭穿含瓦斯和水岩溶裂隙，就有可能瓦斯和水 喷出现象。 岩溶裂隙不但直接制约着掘进进度 ， 还严重威胁到井下员工的生命安全。 煤矿生产中对巷道掘进前方的地质构造探 文献 标 识码 A 测， 是一项难度较高的地质工作， 要求其探测值 准确、 及时、 可靠 ， 这给煤矿地质工作提出了更 高的要求。 为了实现石壕煤矿建设成为年产 1 8 0 万吨高产高效矿井的目 标 ， 改变多年来地质人 员只能靠罗盘、 皮尺开展地质工作 ， 提高矿井掘 进和回采工作面超前地质预报准确性 ，防止今 后岩溶裂隙瓦斯和水给石壕矿造成安全事故， 2 0 0 7年公司引进福州华虹智能科技开发有限 公司和安徽理工大学联合研制开发便携式矿井 地质探测仪 K D Z 1 1 1 4 3 1 ， 探测前方岩溶水及岩 溶瓦斯赋 隋况，加快掘进速度 ， 实现安全生 产。 3探测原理及探测方法 3 ． 1 仪器原理 矿井地质探测仪主要利用弹性波勘探原 理， 利用震动作为弹『 生 波波源， 对被探测介质的 距离和速度进行探测， 采用自激自收解析法、 瑞 雷波解析法、折射解析法及反射解析法进行数 据采集和解析。这四种解析方法应用于仪器内 核 ， 构成仪器四种全 自动、 半 自动、 手动探测方 法 ， 即单点探测、 双点探测、 折射探测与反射探 测。目的是使仪器适用性更加广泛 ， 突破以往使 用探测仪器只能专业人员介入的局面。通过采 集地震波， 经仪器初处理后 ， 再经过软件解析系 统的综合分析后， 从而确定异常界面。 再结合地 质基础资料 ， 最终定f 生 和定量确定其探测结果。 3 ．2便携式矿井地质探测仪探测方法 便携式矿井地质探测仪震波探测方法主要 有单点探测、 双| 探测 、 折射探测、 松动探测 、 反 射探测、 用户探测等几种 ， 其中石壕煤矿多次采 用的也比较适合我矿的探测方法是用户探测中 的单点扬 钡4 方法和反射共偏移探测方法。 3 ．2 ． 1单 探测 单点探测技术是源于反射地震波勘探中的 自 激 自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直 反射形式。 它是通过接收岩、 煤层界面的地震波 垂直反射信号，来解析计算 目的层距离或厚度 的。由反射波时距曲线方程 4 h - x ， 令 x 0 ， 则 h v t 。 式中时间 t 可由波形记录上判读， 波速 须是一已知数， 其取值准确与否， 直接影响到目 的层距离或厚度探测的精度。 一般来说， 在一定 的探测区域内， 岩、 煤层的垂向波速都较稳定， 探测时可作波速调查， 弄清各层波速分布状况， 为探测解析提供依据。 单 探测现场布置较为简单，根据不同探 测 目的和要求， 其具体布置方式也有所区别。 在 实际工作中，由于受震源及其它震波 庐波、 面 波1 的影响很难做到 自 激 自收采集， 因此只能近 似地做极小偏移距单点单道采集，一般要求最 浅目的层的反射角在2 0 以内。 巷j 黼超前探 测， 受断面面积控制， 探测前必须先将松动煤 、 岩清除， 煤、 岩层中布置 1 道滑块式高阻尼传感 器， 间隔一定短距离采用锤击振动激发 ， 采用多 分量多波反射技术， 进行多波分析和解释， 单点 探测模块可直接进行有关超前探测 、 顶煤厚度 3滑坡灾害防治措施及建议 3 ． 1抗滑桩 经过调查 ， 拟建工程部位为一斜坡 ， 坡角 2 5 。 ， 坡 向为 8 5 。 ， 岩层产状为 9 5 。 ／ _ 7 3 。 ， 为顺 向坡。 岩层倾角较大， 诱发地质灾害的可能性 小。坡面出露基岩为三叠系下统飞仙关组五 段石灰岩，另外零星分布有一层粘土，厚度 3 ． 0 0 ～ 5 ． 8 0 m 。基岩表层溶蚀裂隙较发育， 裂隙 充填粘土，据钻孔揭示 ，越向深部岩体越完 整 ， 未见溶洞等岩溶现象 ， 岩溶主要表现为充 填方解石脉 ， 岩质致密、 坚硬 ， 锤击声清脆 ， 属 较硬质岩， 岩体基本质量等级为 Ⅲ级 ， 未发现 有软弱夹层 。 由现场调查 ， 拟建规划堆载区边 坡主要 自然斜坡 ， 无人类工程活动， 稳定性较 好 ， 现状稳定， 适宜抗滑桩支挡工程的建设。 抗 滑桩为将来堆填矸石 的主要受力部 位 ， 需对稳定性进行计算 ， 因矸石堆填按设计 坡角堆放 ，所以不可能沿矸石山内部产生局 部滑移剪出 ， 故只进行主动土压力计算 ， 公式 如下 1 E 1H X [ s i n e s 【 0 s i n , p 6 s i n ～ af1 s i n 一 口 r s l n a e o s 一 6 O一 中国新技术新产品 2c 。二 式 中 E 一 主动土压力合 力标准值 k N ／ I n ； K 主动土压力系数； H 一 挡矸墙高度 m ； 根据规划堆填方量 ， 地面 以上取 1 0 m； r 一 土体 重度 k N ／ m ； 取 1 6 ． 6 5 饱和状态 c 一 土的粘聚 力 k P a ； 取 2 ． 1 经验值 i ‘ p 一 土的 内摩擦角 。 ； 取 3 7 ． 4 经验值 ； q 一 地表均面荷载标准 值 k N ／ m ； 取 O ； 8 一 土对挡土墙墙背的摩擦角 。 ； 取 0 ． 4 ‘ P 墙背粗糙 ， 排水 良好 B 一 填土表 面与水平面的夹角 。 ； 取 2 7 。 设计值 ； 0 - 滑 裂面与水平面的夹角 。 。取 3 1 。 饱和状态下拟建挡墙的主动土压力标准 值 E a k 7 8 0 ． 2 4 k N ／ m。 3 ．2对矸石山滑坡灾害的建议 加强疏排水工作 ，完善矸石山四周排水 沟， 并加强矸石体 内部的排水工作 ， 为确保排 水系统畅通 ，建议配专人定期对矸石山排水 系统进行维护和修缮。 建议对矸石山采取防控 自 燃措施 ，并对 整个矸石山采取坡面绿化措施。 建议停止在原矸石山上的继续堆填 ， 并 应及时采用前述放 削 坡 排水 矮脚墙 抗 滑桩 绿化的综合治理措施 。 建议对整个矸 石 山建立完 善的监测系 统 。 结论 勘察 区的矸 石山 已经处 于基本稳定状 态 ， 若不进行有效治理 ， 若遇大雨或者长期降 雨， 矸石体有发生垮塌的可能， 将严重威胁矸 石山下方工业广场 、 居 民区、 运输铁路及炸药 库等安全。危及 7 4 5 户居民、 2 6 0 7 人、 房屋建 筑面积约 4 4 7 0 0 m ，估计总损失将达到 7 8 2 7 万元 。 投入产出比 1 7 。 若一旦发生大规模的 滑移 、 垮塌事故 ， 更将造成生态环境的破坏 ， 并造成当地居民的恐慌等不利社会影响 ， 并 对南桐煤矿生产造成更加严重的经济损失 。 综上所述， 对该工程治理后的经济效益、 社会 效益和环境效益均十分明显 ，故对其治理是 十分必要的。 参 考文献 【 1 】 张凤辰． 煤矸石及其综合利用[ J J ． 中国环保 产业， 2 0 0 4 ， 1 0 ． [ 2 】 江洪清． 煤矸石对环境 的危 害及其综合治 理 与利 用『 J ] _ 煤炭 加工 与综合 利 用 ， 2 o 0 3 ， 3 ． 【 3 ] 邓丁海， 岑文龙． 煤矸石堆放区的环境 效应 研 究『 J 1 _ 中国矿 业 ， 1 9 9 9， 8 6 8 7 9 1 ． l 塑 一 扣 一0 一 m 工 程 技 术 一 C h i n a N e w T e c h n o l o g ie s a n d P r o d u c t s 数据与实时结果分析。 3 ．2 ．2反射共偏移探测 反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原 理 ， 在单边排列分析基础上选定最佳偏移距 ， 采 用多次覆盖观测系统进行数据采集。 探测时， 首 先针对测试区域地震地质条件进行现场噪声调 查， 对排列记录分析对比， 确定最佳共偏移接收 窗口以及窗口内的检波器间距 ， 并按一定的步 距同步前移完成探测任务。只要地质体中存在 波阻抗差异 ， 如地质界面， 就会产生反射回波， 且反射能量受界面特 胜 控制，这是进行地质体 分辨的前提。 通常在现场实际工作中， 常用密集 型单道共偏移数据解决实际问题，能满足现场 的需要。它在对地质体连续追踪与调查中发挥 着重要的作用。 现场探测时是在最佳窗 口内选择个公共 偏移距 ， 采用单道小步长， 保持震源和接收点距 离不变， 同步移动震源和接收传感器。 每激发一 次接收一道波形， 最后得到一张多道记录， 各道 具有相同的偏移距。图 1 为共偏移法现场施工 示意图。 利用这种共偏移地震剖面， 可正确识别 反射波同相轴 ， 由于偏移距相同， 数据处理时不 需作正常时差校正。工程中常用来对反射波同 相轴位置及特征进行了解 ，由于这种方法施工 较为简单，特别适用于矿井煤岩巷道或工作面 构造及异常地质体的调查工作。 一激发J占 0一接收点 图 1共偏 移 距记 录施 工 示意 图 根据反射波勘探原理，以水平反射界面为 例 ， 则单道观测系统有相应波路图 见图 2 ， 且 它的时距曲线方程为 反射界 曲 A 一激搜 点 。 一接收点 图2单道观测系统波路图 一 OA AS 巫 V V V 式中 x 即为偏移距 ， v 为探测介质的地震波 波速 ， t 为地震波旅行时间，而 h 是 目标体的界 面深度 ， 是需要求解的。 因此根据测试所获得的 地震波记录， 进行反射波相位追踪 ， 确定各个界 面的反射波组并求取反射相位时间，即可求解 探测 目 标体的深度， 并进行地质解释。 对于f 哂 蜡 斗 界面则根据反射波组特征进行相应的深度校 正， 获得该界面的实际深度位置。 4探测技术应用情况 4 1 N三区 2 瓦斯巷探i 贝 4 4 ． 1 ． 1反射共偏移探测 采用单道反射 自 激 自发进行探测 ，移动步 距为 0 ．3 米， 共布置测线 2 -4 米， 测线沿碛头正面 岩体中进行布置和测试。 控制点为变坡点位置， 碛头位于变坡点向下斜距 2 9 米处。 探测情况见 图4 。图中碛头前方反射波组特征明显， 反射相 位清淅，通过分析波形，取茅 口灰岩波速为 4 6 0 0 n s ，靠北帮位置所采波组显示碛头前方 9 米出现了能量反弹， 振幅增强 见图 3 ， 得出从 碛头前方 9 米出现异常区域，根据区域地质 隋 况分析， 怀疑是裂隙的位置。做出判断之后 ， 及 时通知书发放有关单位，要求施工连队必须严 格按“ 先探后掘” 的原则施工 ， 瓦斯出现异常立 即将人撤出到安全地方并及时向矿调度汇报， 另外也加强了顶板的管理来防止事故的发生。 每 Ill 铲 ‘ 如 | ， V茅口灰岩-- --d 6 0 0 m／s 图 3 N三 区 2 瓦斯巷超 前探 测波形及结果 经过现场揭露， 当掘至变坡点向下斜距 3 9 米时， 在巷道中揭露直径 0 -5 米小溶洞 ， 内存瓦 斯和少量积水。距离误差在 1 0 ％ 左右。 4 ． 1 ．2单点探测 为防止掘进过程中误人煤系， 在 N三区 2 瓦斯巷碛头顶板还进行了单点探测 自激自收的 方法采集数据，测试点在碛头巷道顶板茅 口灰 岩中。数据波组特征明显 ， 相位清晰， 能够很容 易的找到灰岩与铝土岩的分界面。通过波组分 析， 取灰岩波速为 4 6 0 0 m ／ s ， 顶竖直向上 5 ．0 6 米 出现能量反射，第一次能量反射到第二次能量 反射之间取 2 2 0 0 m ／ s ， 8 ． 5 7 米出现第二次能量反 射。 推测第一次反射为铝土岩的底板，第二次 反射为铝土岩的顶板。 见图 4 l I l 嘲 盯 ⋯ 、 图4 N三区2 瓦斯巷超前探测波形及结果 钻孔资料揭露 ，顶到铝土岩的距离为 4 ．5 米， 铝土岩厚 3 5米 ， 基本上可以确定这个区域 的灰岩与铝土岩的波速。 距离误差在 l ∞6 左右。 4 -2 N三区 3 瓦斯巷上段 E头 采用单点自激 自 收方法探测碛头前方破碎 带影响范围， 探测在 A 6 点向西 1 _2 米两边的硐 图 5 N三 区3 瓦斯巷 实际情况 与物探 成 果对 比 室中进行。数据采样波组特征明显 ， 相位清晰， 结果由两边所采波形综合分析而得。通过波组 分析，石灰岩波速取 4 6 0 0 m ／ s ， 破碎带波速取 3 0 0 0 m ／ s ， 得到正常段石灰岩 1 3 ． 1 6 m， 破碎带影 响范围 9 ． 6 5 m 。 经过巷道实际施工揭穿破碎带验证 ， 正常 段石灰岩 1 0 米， 破碎带影响范围 9 米 ， 误差在 1 7 ％左右。 见图5 5应用总结 5 ． 1准确程度高。通过巷道揭露和打钻验 证 ， 以上结果的准确度在 8 3 ％～ 9 0 ％ 之间， 基本 能满足茅口组灰岩巷道超前探测的要求。 5 ．2震波探测有探测时间短，劳动强度小 ， 探测精度好 ， 工作效益高。与打钻探测相结合 ， 可满足超前探测要求。 5 -3会效益显著。 应用震波技术探测前方岩 溶水及岩溶瓦斯赋存情况， 探测细密， 能保证精 度， 提高地质预报的准确率， 加快掘进速度 ， 实 现安全生产。 结束语 震波探测技术的应用，为矿井高产高效矿 井建设提供了保障。从 目 前矿井物探和矿井地 质角度来看， 井下超前探测和预报问题 ， 国内外 尚无其它成熟有效的技术手段和解决方法 ， K D Z 1 1 1 4 _ 3 型便携式矿井地质探测仪可作为前 方探测与预测的一种较为理想的辅助工具， 其 对岩、煤层分界及其它异常区域探测具有较好 的适用性。 石壕煤矿茅 口灰岩的综合波速取 4 2 0 0 4 6 0 0 米秒 是较为合理的。 利用震波技术进行地 质探测时确定波速是关键。 石壕煤矿在探测时， 井下煤体及岩体波速是根据探测仪所测到的反 射波进行选取的， 与震波在煤、 岩体中传播的实 际波速会存在一定的误差，通过现场多次探测 对比， 建立矿区不同地质条件有效波速资料， 可 不断提高探测精度。 在进行茅口灰岩超前和灰岩厚度探测时 ， 利用仪器的单点和反射共偏移法进行探测是比 较合理的。 参考文献 『 1 1 陈仲候， 王兴泰， 杜世汉． 工程与物探教程[ M】． 北京 地质 出版社 ， 2 0 0 5 ． 『 2 l李小平巷道 内远距离震波超前探测可行 陛分 析切． 河北煤炭， 2 0 0 0 5 ． 『 3 1 王庆海． 浅层地震勘探【 M ] ． 中国建筑出版社． 中国新技术新产品 一6 l一