矿井地震反射超前法探测煤层冲刷带的应用.pdf

第3 8 卷第l 1 期 2 0 1 0年 1 1 月 煤炭 科 学 技术 Co a l S c i e n c e a nd Te c h n o l o g y Vo1 ． 3 8 No ．1 1 NO V．2 01 0 矿 井地震反射超前法探测煤层冲刷带 的应用 胡 运 兵 1 ．中南大学 信息物理5 2 程学院，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ．煤炭科学研究总院 重庆研究院，重庆4 0 0 0 3 7 摘要为 了在采掘过程中避免煤层冲刷带对掘进成巷和采出率的影响，利用矿井地震反射超前法 对煤层冲刷带影响范围进行远距离超前探测。在分析煤层冲刷带的地球物理特性的基础上，探讨 了 多波多分量地震反射超前法探测技术的时距 曲线特征，研究了远距离超前预测预报后期古河床煤层 冲刷带发育及其边界范围的实例。应用表明，在巷道掘进过程中，运用矿井地震反射超前法探测技 术预测煤层冲刷带的发育及其边界范围是可行的，探测结果误差较小，与实际情况吻合较好。矿井 地震反射超前探测法是超前预测掘进前方煤层冲刷带的一种有效的地球物理探测新手段，能较好地 指导矿井生产，满足矿井高产高效的要求。 关键词矿井地震反射超前法；多波多分量 ；超前预报；煤层冲刷 带 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 2 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 0 1 1 0 l l 6 0 4 App l i c a t i o n o f M i ne S e i s mi c Re fle c t i o n Pr e d i c t i o n t o De t e c t S c o u r i n g Zo ne HU Yu n． b i n g 1 ．S c h o o l o fl n f o - P h y s i c s a n d G e o m a t i c s E n g i n e e r i n g，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C h o n g q i n g脑 ∞r c I n s t i t u t e ， C h i na C o a l R e s e a r c h I n s t i t u te ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，C h i na Ab s t r a c t I n o r d e r t o e l i mi n a t e t h e s c o u ri n g z o n e i n t h e s e a m t o c a u s e t h e g a t e w a y d riv i n g wa s t e d a n d t h e mi n i n g r a t e i n fl u e n c e d d u rin g t h e mi n i n g a n d e x c a v a t i o n p r o c e s s i n g ，t h e mi n e s e i s mi c r e fl e c t i o n p r e d i c t i o n w a s a p p l i e d t o t h e r e mo t e p i l o t d e t e c t i o n o f t h e s e a m s c o u rin g z o n e i nfl u e n c e s c o p e ．B ase d o n t h e a n a l y s i s o n t h e g e o p h y s i c s f e a t u r e s o f t h e s e a m s c o u ri n g z o n e， t h e p a p e r d i s c u s s e d t h e t i me c u r v e f e a t u r e s o f t h e mu l t i w a v e a n d mu l t i c o mp o n e n t s e i s mi c r e fl e c t i o n p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y a n d s t u d i e d t h e c a s e s f o r t h e d e v e l o p me n t a n d t h e b o u n d a r y s c o p e o f t h e p a l a r i v e r b e d s e a m s c o u ri n g z o n e a f t e r t h e l a t e r o f t h e r e mo t e p i l o t p r e d i c t i o n a n d p r e - wa r n i n g ． T h e a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t d urin g t h e g a t e wa y d riv i n g，t h e a p p l i c a t i o n o f t h e mi n e s e i s mi c r e fle c t i o n p r e d i c t i o n t e c h n o l o gy t o pr e d e t e c t t he d e v e l o p me n t a n d t h e b o u n d a s c o p e o f t h e s e a m s c o u ri n g z o n e w o u l d b e f e a s i b l e ．Th e e r r o r o f t h e d e t e c t i o n r e s u l t s w o u l d b e s ma l l a n d c o u l d b e w e l l me e t w i t h t h e a c t u a l c o n d i t i o n s ．T h e mi n e s e i s mi c r e fl e c t i o n p r e d i c t i o n c o u l d b e a n n e w a n d e f f e c t i v e g e o p h y s i c s d e t e c t i o n me a n s t o i n a d v a n c e d p r e d e t e c t t h e s e a m s c o u rin g z o n e i n t h e f r o n t o f t h e s e a m． Ke y wor d smi n e s e i s mi c r e fle c t i o n p r e d i c t i o n；mu l t i wa v e a nd mul t i c o mp o n e nt ；p i l o t p r e wa r ni n g；s e a m s c o u r i n g z o n e 煤层冲刷带是煤层部分或全部被冲刷并常由砂 质沉积物充填而形成的地质体 ，是引起煤层缺失或 厚度变化 的常见原 因之一_ l J 。煤层 冲刷带 的存在 直接影响到矿区规划 、矿井设计 、开采方式 、采掘 部署及生产计划 ，可造成掘进率增加 、采 出率 降 低 ，严重制约矿井的高产高效。因此 ，在矿井采掘 过程 中，预先查明冲刷带的范 围及可能延伸情况 ， 对于采区和工作面的设计布置 、采掘方案的制定都 有较好的指导意义。 基金项 目国家重 点 基础 研究 发展 计 划 9 7 3计 划 资助 项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 0 ；国家 自然科 学基金重 点资助项 目 5 0 5 3 4 0 8 0 ； “ 十一五” 国家科技 支撑计划资助项 目 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 1 1 l 6 由于古地质环境的不同，形成 了多种类型的冲 刷带 ，不同成 因的冲刷带在煤层中的发育和展布情 况各有不同，这就为冲刷带的探测带来了很大的困 难。经过长期 的生产实践探索 ，形成 了地质统计 法 J 、沉积分析法 J 、槽波地震勘探 3 J 、三维地 震勘探 等预测煤层冲刷带的方法 ，解决 了煤层 冲刷带 的普查 问题。而对于煤层 冲刷带 的精查 问 题，特别是远距离超前预测巷道掘进前方煤层冲刷 带的赋存及其影响情况 ，还没有令人满意的方法。 近年来，随着多波多分量地震反射超前法探测技术 在煤矿井下的成功应用 J ，为远距离超前探测煤 层冲刷带提供 了一种新的地球物理手段 。 胡运兵矿井地震反射超前法探测煤层冲刷带的应用 2 0 1 0年第 1 1 期 1 煤层 冲刷 带的地球物理特 性 根据成 因，煤层 冲刷带可分 为河流 同生 冲刷 带、海水同生冲刷带 、河流后生冲刷带 图 1 。 蘩蚕 ＼ - ’’ ’ ． ． 鱼量 曼 ； 手皂搴 孽 ■ ■ ■ 葺 ■ - c 煤系内河流冲刷 带 d 煤系生成后冲刷带 图 1 煤层冲刷带主要成因类型示意 河流同生冲刷带是在泥炭层沉积过程 中形成的 河道冲刷带 ，冲刷带位于煤层内或冲刷带与煤层具 有同一顶板 ，平 面呈 现宽度不大 的弯 曲条形 薄化 带，横剖面一般呈上平下凸的透镜状 ，煤层在透镜 状冲刷带岩体 的部位相对变薄，局部夹矸层增多， 夹矸多为砂质或粉质岩 。海水 同生冲刷带使煤层层 面上出现大小不一的凹坑 、槽沟 ，或在广阔范围内 冲刷成 “ 残丘” 、“ 煤岛” ，煤层薄化程度不一 ，规 模大、范围大 。煤层上部各煤分层和各夹矸层呈对 称性 间断，冲刷顶板常为灰岩或海相砂岩。河流后 生冲刷带是在泥炭层上覆沉积物沉积过程中或沉积 后 ，河流冲蚀下伏泥炭层并经沉积充填而成的冲刷 带 ，平面呈现较宽阔的条带状 ，或分枝状的冲刷薄 化带 ，薄化规模较大，常有定 向分布的薄化区或无 煤带 。煤分层和夹矸层被冲刷岩体拦截破坏 ，煤层 正常顶板被冲刷破坏为河床相砂砾岩所替代 ，冲刷 面凹凸不平 、犬牙交错 ，冲刷带边缘小断层比较发 育 ，冲刷部分煤质疏松。煤层冲刷带 的实质是发育 于煤层中的带状砂体 ，各个冲刷带在煤层 中的分布 无连续性。煤层与岩体相 比具有弹性波传播速度低 和密度小 的特点 ，因此 ，冲刷带边缘 物性差异 明 显，存在弹性分 界面，当地震波遇 到冲刷带边界 时，一部分地震波反射回来 ，传感器接收到的反射 波包含了冲刷带的信息，这是矿井地震反射超前法 探测技术解决冲刷带边界问题的前提 。 2矿井地震反射超前法探测技术 矿井地震反射超前法探测技术 Mi n e S e i s mi c R e fl e c t i o n P r e d i c t i o n 是一种 多波多分量联合地震 勘探技术 。工作方法是在巷道侧帮打孑 L 布置检波器 和震源点，检波器和震源点在平行巷道走向的一条 直线 上。检波器和震源点埋人到巷道侧帮煤岩体中 一 定深度 ，目的是避免面波和巷道驻波的干扰 ，提 高信噪比。观测时在震源点用小药量激发产生地震 波。地震波在煤岩体中以球面波形式传播 ，当遇到 岩石物性界面时 ，一部分地震信号反射 回来 ，一部 分信号折射进入前方介质 。由高灵敏度三分量地震 检波器接收带有反射界面信息的地震波 ，三分量测 量记录了 2个水平方向和 1个垂直方 向，即纵波 P 和横波 S 。多分量地震更易识别一些细微 的成岩变 化 ，确定一些小的或机理上不适宜的与裂缝性岩石 有关区带。这样使矿井地震反射超前法探测技术能 够较好地识别巷道掘进前方的断层 、陷落柱 、破碎 带 、冲刷带等地质构造的位置和影响范围。 矿井地震反射超前法探测技术采用单边一发多 收或一收多发观测系统 ，这是根据煤矿井下巷道的 特点没计的。煤矿井下存在瓦斯、粉尘等爆炸危险 源，巷道断面较小，在巷道 的侧帮上通常分布在风 筒 、电缆 、水 管和风管等 ，而在巷 道 中分 布在轨 道 、输送机上等 ，因此 ，激发点和接收点通常只能 布置在一个侧帮上。对于单边一发多收或一收多发 观测系统 ，接收的反射信息不仅有来 自前方的反射 波 ，同时也有直达波 、来 自后方的反射波 、来 自侧 面水平界面的反射波以及各种干扰信号。 假设震源和接收点到构造体这段地质体是均匀 各 向同性 ，反射界面与巷道轴线的夹角为 O l ，接收 点到反射界面的法线深度为 h ，波速为 ，炮检距 为 ，如图 2所示。设地震波 双程旅 行时 间为 t ， 分析矿井地震反射法超前勘探 的单边一发多收观测 系统 的各种类型地震波时距曲线特性。 图2矿 井地震反射超前探测技术原理 直达波的时问与炮检距关系方程为 x ／ v 1 侧帮水平反射界面反射波的时间与炮检距关系 方程为 ￡ 4 h ／ v 2 1 1 7 2 0 1 0 年第1 1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 掘进工作面后方界面反射波的时间与炮检距关 系方 程为 ￡ ／ 4 x h s i n 4 h 。 ／ v 3 掘进工作面前方反射界面反射波的时问与炮检 距关系方程为 t ／ 一4 x h s i n 4 h ／ v 4 矿井地震反射法超前勘探的直达波 、反射波时 距曲线特性 图 3 如下 。 图 3 直 达 波 、前 方 反 射 波 、后 方 反射波及侧帮反射波的时距 曲线 1 直达波 、侧帮放射波、后方反射波 的时间 与距离关系曲线都具有相似性 ，从近炮检点到远炮 检点 ，地震波的旅行时间随炮检距增加而增加。 2 前方反射波的时距 曲线具有负视速度 的特 性，从近炮检点到远炮检点 ，地震波的旅行时间随 炮检距增加而减小。 因此，根据掘进工作面前方界面反射波的时间 与距离关系曲线是随炮检距的增大而旅行时间减少 这一特性 ，就可以从采集信号 中识别掘进工作面前 方反射界面的反射信息，排除直达波、侧面和后方 反射界面的反射信息 ，实现超前地质预测预报。 3应用实例及分析 华晋焦煤有限责任公司沙曲矿北翼 2 4 3 0 3工作 面 2号探巷和南翼 1 4 2 0 3工作面轨道巷采用矿井地 震反射超前法探测技术进行超前地质预报 ，通过探 测，查明了掘进前方冲刷带分布位置和边界范围， 为巷道掘进和工作面的布置提供了可靠 的技术指 导。探测结果如下所述。 1 从探测结果分析 ，在 2 4 3 0 3工作 面 2号探 巷 1 1 9 m处向前掘进 6 6 ． 5 m即见后期古河床 冲刷 I 1 8 无煤边界 ，其 中从掘进前方 4 5 m始有冲刷砂岩对 4号煤层 冲刷痕迹 ，冲刷 逐渐加深 至 6 6 ． 5 m处 ， 为煤层与岩石分界，无煤。再向前掘至 9 4 m煤层 开始出现 ，冲刷砂岩逐渐少，至前方 1 1 8 m见到煤 层达到正常厚度 ，冲刷带与 2号探巷的斜交宽度为 5 1 m，冲刷带垂直宽度为 2 6 m 图4 。 图 4沙 曲矿 2 4 3 0 3工 作 面 2号探 巷 超 前 探测后期古河床冲刷带 2 从探测结果分析，在 1 4 2 0 3轨道巷 5 1 2 m 处向前掘进 1 4 m即见煤层冲刷砂岩 ，冲刷带呈锅 底状。即煤层顶板在掘进工作面后 l 3 ． 5 m处见到 冲刷砂岩，4号煤层正常厚度为 2 ． 5 m，从 冲刷煤 层顶板砂岩到掘进工作面 1 3 ． 5 m范围内4号煤层 冲刷变薄只剩 0 ． 8 m，而探测前方砂岩仍有 1 4 m 宽 ，冲刷砂岩宽度不少于 2 8 m，冲刷砂岩呈锅底 状 ，冲刷方向从右帮向左帮 ，即朝 向 S E 1 2 0 。 方向。 前方 1 4 m外 4号煤层逐渐恢复正常厚度 图5 。 图 5 1 4 2 0 3工作 面轨道巷超前探测后期古河床冲刷带 通过揭露验证 ，冲刷带的位置和边界范围误差 1～ 3 m，探测结果基本准确。 4结 论 在巷道掘进过程 中，运用矿井地震反射超前法 探测技术预测煤层冲刷带的发育及其边界范围是可 行的，能够保证探测误差较小 ，与实际情况吻合较 好。该技术的推广应用， 有利于避免因煤层冲刷带 的影响而造成巷道掘进浪费和采出率降低，实现矿 井的高产高效 。煤层冲刷带是发育于煤层 中的带状 胡运兵 矿井地震反射超前法探测煤层冲刷带的应用 2 0 1 0年第 1 1 期 砂体 ，其边缘小 断层 比较发育 ，冲刷部分煤质 疏 松。煤层与岩石相 比具有弹性波传播速度低和密度 小的特点 ，因此，冲刷带边缘物性差异明显 ，存在 弹性分界面，当地震波遇到冲刷带边界时 ，一部分 地震波反射回来 ，传感器接收到的反射波包含 了冲 刷带 的信息。这就是矿井地震反射超前法探测技术 能解决冲刷带边界问题的地球物理前提。华晋焦煤 有限责任公司沙曲矿北翼 2 4 3 0 3工作面 2号探巷和 南翼 1 4 2 0 3工作面轨道巷采用矿井地震反射超前法 探测技术进行超前地质预报，通过探测 ，查明了掘 进前方冲刷带分布位置和边界范围，为巷道掘进和 工作面的布置提供了可靠的技术指导。 参考文献 [ 1 ] 杨盂达 ，刘新华 ，王瑛 ，等 ．煤矿地质学[ M] ．北 京 煤 炭工、 l 出版社 ． 2 0 0 3 1 6 1 1 6 3 ． 刘俊杰 ．地质统计学在 预测煤层 冲刷带 中的应用研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 4 ， 2 9 1 4 9 5 2 ． 。 李普 涛，张起钻 ， 汪恕生 ．煤层 冲刷带预测方 法评述[ J _ ． 中国煤 田地质 ， 2 0 0 7 ，1 9 2 1 7 1 9 ． 郑岩， 程增庆， 王永哲， 等．大隆煤矿煤层冲刷及采空区 的解释方法研究 [ J ] ．中国煤 田地质 ， 2 0 0 7， 1 9 6 6 3 6 4 ． 胡运兵 ，吴燕清 ， 宋劲 ．薄层状介质 中反射地震超前探测 的特性分析 [ J ] ．河 南理工大学 学报 自然 科学版 ，2 0 0 6， 2 5 6 4 6 9 4 7 3 ． 胡运兵 ，张宏敏 ， 吴燕清 ．井下多波多分量地震反射法探测 陷落柱的应用研究[ J ] ．矿业安 全与环 保，2 0 0 8 ，3 5 3 4 - 47 作者简 介 胡运 兵 1 9 7 3 一 ，男 ，四川沪县人 ，高级 工程师 博士研究生，主要从事矿井安全技术及设备的研究 工作。T e l 0 2 3- 6 5 2 3 9 4 7 6，E- ma i l b u y u n b i n g c q c c n． c n 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 0 ；责任编辑 曾康生 上接第 8 0页 参考文献 赵阳升，杨栋 ， 胡耀青 ，等．低渗透煤储 层气 开采 有效技 术途径 的研究 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 1 ， 2 6 5 4 5 5 4 5 8 ． 姚 尚文．高瓦斯低透 气性煤层 强化增透 抽放 瓦斯技术 研究 [ D] ．淮南 安徽理工大学，2 0 0 55 1 5 2 ． 马小涛 ，李智勇 ，屠洪 盛 ，等．高 瓦斯低 透气性 煤层 深孔 爆破增透技术 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 0 ，1 5 1 9 2 ． 顾 德祥．低 透气 性 突 出煤 层强 化增 透 瓦斯 抽采 技术 研 究 [ D] ．淮南 安徽 理工大学 ，2 0 0 9 ． 董钢锋 ，林府进．高压 水射流扩 孔提高 穿层钻 L 预抽 效果 的试验[ J ] ．矿业安全与环保 ，2 0 0 1 ，2 8 3 1 7 1 8 ． 段康廉 ，冯增朝 ，赵阳升 ，等．低 渗透 煤层 钻孑 L 与水力 割 缝瓦斯排放 的实验 研究[ J ] ．煤 炭学 报 ，2 0 0 2，2 7 1 5 O一 5 3． 周军民．水力压裂增 透技术在 突出煤层 中的试验 [ J ] ．中 国煤层气 ，2 0 0 9 ，6 4 3 4 3 9 ． [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0] [ 1 2] 姜瑞忠 ，蒋廷学 ，汪永 利．水力 压裂技术 的近期 发展及 展 望 [ J ] ．石油钻采工艺 ，2 0 0 4 ，2 6 4 5 2 5 6 ． 于不 凡 ．煤 矿瓦 斯灾 害防治 及利 用技术 手册 [ M] ．修订 版．北京 中国工业 出版社 ，2 0 0 5 ． 杜春志 ，茅献彪 ， 万奎．水力压 裂时煤层封裂 的扩展分 析[ J ] ．采矿与安全工程学报 ，2 0 0 8，2 5 2 2 3 2 ． 孙炳兴 ，林府进 ，伍厚荣 ，等．李子垭南二井 K ． 煤层煤与 瓦斯 突出综合 防治技 术 的研 究[ R] ．重庆 煤炭科 学研 究 总院重庆研究 院，2 0 0 9 ． 陈留武 ，杨围和 ， 黄春明 ，等．水力压裂孔提高松 软低透气 性煤层 瓦 斯 抽 放 效果 [ J ] ．矿 业 安 全 与 环 保 ，2 0 0 9 ，3 6 S 1 1 0 9 1 1 0 ． 作者简介 孙炳兴 1 9 7 9一 ，男 ，河南南 阳人 ，工程 师 ，工 程硕士研究 生 ，主 要 从 事 煤矿 瓦 斯 灾 害 防 治 的 研 究 工作 。T e l 1 3 9 8 3 2 7 6 4 3 7，E ma i l s u n b i n g x i n g 1 6 3 ． c o n l 收稿 13期2 0 1 0 0 6 1 7 ；责任编辑王晓珍 上接第 l l 5页 [ 1 I ] A p T e M O B A B ．顿巴斯煤层 突出危 险区域煤的分子结 构特征 [ R]／ ／ 国外煤 和 瓦斯 突 出资料 汇 编 第 1集． 徐 跃 奇， 译．重庆科学技术文献出版社重庆分社 ，1 9 7 8 7 6 7 8 ． [ 1 2 ] 乐琪浪 ，杨 为民，邱德生 ，等．煤层薄煤带 展布特征及其 与层滑 构 造 关 系分 析 [ J ] ．煤 炭 科 学 技 术 ，2 0 0 9，3 7 1 1 1 0 6 1 0 9 ． [ 1 3] 陈萍 ，唐修义．低温氮吸附法 与煤 中微 孔隙特 征的研究 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 01 ，2 6 5 1 0 5 1 0 9 ． [ 1 4] 韩德馨． 中国煤岩学[ M] ．徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 6． 6 77 8 ． [ 1 5 ] [ 1 6 ] 袁崇孚．构造煤与煤 和瓦斯 突 出 [ J ] ．瓦斯 地质 ，1 9 8 5， 1 1 4 5 5 2 ． 冯士安 ，唐 修义．具有 瓦斯突 出危险性的构 造煤特 征及其 意义 [ J ] ．中国煤 田地质 ，1 9 9 8 ，1 0 1 2 4 2 6 ． 作者简介 乐琪 浪 1 9 8 5 一 ，男 ，江西 赣州人 ，硕 士 ，从 事 矿井地 质 及 工 程 地 质 方 面 的 研 究 工 作。T e l 1 3 9 5 5 4 4 5 5 4 9 ， E ma i l l e q i l a n g s i n a ．t o m 收稿 日期2 0 1 0 0 7 1 2 ；责任编辑曾康生 I 1 9 1{ j ] 二J