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第4 O卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 矿 业安全 与环保 MI NI NG S AFETY ENVI RONMENTAL PROTECTI ON Vo 1 . 4 0 No . 5 0c t . 2 01 3 杜毅敏 , 张春光. 基于综合物探技术的煤厚超前探测研究[ J ] . 矿业安全与环保, 2 0 1 3 , 4 0 5 6 3 6 6 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 5 0 0 6 3 0 4 基于综合物探技术的煤厚超前探测研究 杜毅敏 , 张春光 1 . 义马煤业集团股份有限公司, 河南 义马4 7 2 3 0 0; 2 . 义马煤业集团股份有限公司 地质研究所, 河南 义马 4 7 2 3 0 0 摘要 新义煤矿煤层厚度变化大, 煤厚对煤与瓦斯突出具有重要的控制作用。为探测掘进巷道前方 煤厚变化情况, 采用 网络并行 电法、 矿井瞬变电磁法及震 波超前探测综合物探技术, 对 1 2 0 1 1胶带运输 巷煤厚变化进行超前探测。根据 3种物探手段结果综合分析 , 胶带运输巷正头前方 2 0 3 0 n l 处显示有 一 相对低 阻区, 地震存在强反射相位组, 此范围内存在岩性变化, 主要表现为煤层变薄; 胶 带运输巷正头 前方6 5~ 7 5 In处有一相对高阻区, 地震存在强反射相位组, 主要表现为煤层变厚, 其变化幅度较大; 在 正头前方3 0~ 6 0 In内局部可能存在煤厚变化。工程实际揭露表明, 煤层赋存情况与探测结果一致, 为 瓦斯超前治理和巷道工程布置提供 了重要参考。 关键词 综合物探 ; 煤厚变化 ; 超前探测; 瓦斯治理 中图分类号 P 6 3 1 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 3 0 9 1 6 1 5 5 7 网络出版地址 h t t p / / w w w . c n k i . n e t / k c m s / d e t a i l / 5 0 . 1 0 6 2 . T D . 2 0 1 3 0 9 1 6 . 1 5 5 7 . 0 1 9 . h t m l S t u dy o f Ad v a nc e De t e c t i o n o f Co a l S e a m Thi c kn e s s b a s e d o n I n t e g r a t e Ge o p hy s i c a l Pr o s pe c t i ng Te c hn i q ue s DU Y i mi n , ZHANG Chu n gu a n g 1 . Y i m a C o a l 瑚£ G r o u p C o . , L t d . , Y i m a 4 7 2 3 0 0 , C h i n a ; 2 . G e o l o g y R e s e a r c h e o f Y i m a C o a l , £ G r o u p C o . , Ltd . , Y i m a 4 7 2 3 0 0, C h i na Ab s t r a c t T h e c o a l s e a m t h i c k n e s s c h a n g e s g r e a t l y i n Xi n y i Mi n e , w h i c h h a s i mp o r t a n t c o n t r o l e f f e c t o n c o a l a n d g a s o u t b u r s t . F o r d e t e c t i n g t h e t h i c k n e s s v a ria t i o n o f c o a l s e a ms i n fro n t o f t h e e x c a v a t i o n r o a d w a y, a d v a n c e d e t e c t i o n wa s c a r r i e d o u t o n t h e t h i c k n e s s v a ria t i o n o f c o al s e a ms i n 1 2 0 1 1 b e l t h a u l a g e g a t e w a y b y u s i n g t h e n e t wo r k c o n c u r r e n c y e l e c t ric al me t h o d , t h e mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d an d s e i s mi c me t h o d . T h e a n a l y s i s o f t h e d e t e c t i o n r e s u l t s o b t a i n e d wi t h t h e s e t h r e e g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g t e c h n i q u e s i n d i c a t e d t h a t t h e r e w a s a r e l a t i v e l y l o w r e s i s t i v i t y z o n e a b o u t 2 0 m t o 3 0 m a w a y i n fro n t o f t h e b e l t g a t e w a y, t h e e a r t h q u a k e s h o we d a s t r o n g r e fl e c t i o n p h a s e gro u p, a n d i n thi s r a n g e , t h e t h i c k n e s s o f c o al s e a ms g r e a tl y d e c r e a s e d; t h e r e w a s a r e l a t i v e l y h i g h r e s i s t i v i t y z o n e a b o u t 6 5 m t o 7 5 m a wa y i n f r o n t o f t h e b e l t g a t e w a y , t h e e a r t h q u a k e s h o we d a s t r o n g r e fle c t i o n p h a s e gro u p, t h e t h i c k n e s s o f c o al s e a ms g r e a t l y i n c r e a s e d; t h e t h i c k n e s s o f c o a l s e a ms ma y l o c a l l y c h an g e i n 3 0 m t o 6 0 m r a n g e .E n g i n e e ri n g p r a c t i c e p r o v e d t h a t t h e o c c u r r e n c e o f c o a l s e a ms wa s c o n s i s t e n t w i t h t h e d e t e c t i o n r e s u l t s , w h i c h p r o v i d e d a n i mp o r t a n t r e f e r e n c e f o r t h e g a s p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l a n d t h e l a y o u t o f r o a d w a y p r o j e c t s . Ke y wo r d s i n t e gra t e g e o p h y s i c al p r o s p e c t i n g ; v a ria t i o n o f c o a l s e a m t h i c k n e s s ;a d v a n c e d e t e c t i o n;g a s c o n t r o l 新义煤矿煤层厚度变化较大 川, 原有地质勘探 钻孔密度达不到具体采掘头面参考需求。钻探技术 是解决上述问题行之有效 的方法 , 但井下 钻探施工 效率低 、 费用高、 耗时长 , 很难全 面反 映区域上 或面 内构造情况 。矿井 地震 和电磁法 勘探工作 具有 高 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 2 8 ; 2 0 1 3 0 5 04 修订 作者 简介 杜 毅敏 1 9 6 1 一 , 男, 河南 汝阳人 , 本 科, 高级 工程师, 义煤集团副总工程师, 河南大有能源股份有限公司总 经理, 主要从事矿 井地质、 采矿 方面 的科研 与管理工作。 E ma i l d u y i mi n g 6 9 0 1 6 3 . e o m。 效 、 经济的特点 , 并且 能够较全 面地 反映 区域 的煤 厚 、 水文等地质信息 J 。在以往的研究 中, 井下煤 厚探测主要利用槽波地震 、 矿井震波 、 电法等单种物 探手段 J , 效果往往不理想 , 而运用综合物探手段 进行煤厚探测的研究资料较少。 本次探测是在新义煤矿 1 1 0 1 1 工作面巷道超前 探测为背景的一次探测研究 , 采用地震 MS P超前探 测技术 、 N P E I 并行电法探测技术和 M T E M 矿井瞬变 电磁探测技术 3种方法进行煤厚探测 。数据处理是 在对第 1次实测数据进行 重新处理 的基础上进 行 6 3 Vo 1 . 40 No .5 0c t . 2 01 3 矿 业安全 与环保 MI NI NG SAFETY ENVI R0NMENTAL PROTECTI ON 第 4 0卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 的, 将第 1 次探测数据处理结果 与巷道掘进实测剖 面图相 比较 , 修正物理参数, 直到结果与实测剖面图 地质情况相似, 保存物理参数 , 作为新义煤矿地球物 理特征 ; 再运用该参数对 1 2 0 1 1工作面巷道超前探 测资料进行处理 , 重点探测距离巷道掘进前方 6 0 m 以上的煤厚变化 , 进行瓦斯灾害定性研究 , 进而为矿 井安全生产提供有力的保障。 1 地质概 况 新义煤矿位于豫西新安煤 田, 主采山西组二 煤 层 , 厚度 0~1 5 . 9 0 m, 平均厚 4 . 7 1 m。厚度变化大 , 具有短距离 内急剧变化的特点 , 在煤厚变化部位 , 极 易引发煤与瓦斯突出事故 , 煤厚对瓦斯突出具有 明 显的控制作用。1 2 0 1 1 工作面为新义矿 1 2采区首采 工作面 , 走 向长度 1 4 0 m, 煤层倾角 7 。~1 4 。 , 厚度变 化较大 , 厚度为 3 . 4 7~ 7 . 2 5 m, 平均 5 . 3 6 m, 有 自南 西向北 东 增 厚趋 势 ; 工作 面 内二 煤 层 瓦 斯 含量 2 . 2 1 ~ 9 . 8 0 m / t , 为有突出危险性煤层 。 二 煤层直接顶为砂质泥岩和泥岩 , 厚度 7 . 8 2~ 1 2 . 2 2 m, 平均 1 0 . 0 2 m。老顶主要为细一 中粒砂岩 , 厚度 5 . 9 O~2 1 . 6 8 m, 比较稳定 , 岩性坚硬 , 具有较 大的抗压 、 抗拉 、 抗剪强度 , 工程地质条件 良好 。底 板主要为泥岩和砂质泥岩, 少数为粉砂岩或细砂岩, 厚度 1 . 6 01 1 . 9 5 m, 一般为 2 . 5~5 . 0 m。煤层与 顶底板岩性存在 明显差异, 煤层电阻率值高于顶底 板泥岩 、 砂质泥岩 , 这为利用物探手段探测煤厚变化 提供了条件。而煤层在空间上 的分布 、 赋存状态存 在不均一性 , 也使得在煤层中存在许多波阻抗不一致 的介质, 这就为地震勘探提供 了物理前提。1 2 0 1 1 工 作面煤层顶、 底板特征见表 1 。 表 1 1 2 0 1 1 工作面煤层顶 、 底板特征 2 探测方法原 理 2 . 1 网络并行直流电法 网络并行 直流 电法最 大特点在 于任一 电极供 电 , 可在其余所有电极同时进行 电位测量, 可清楚地 反映探测区域的 自然 电位 、 一次供 电场 电位的变化 . 6 4 . 情况, 采集数据的效率 比传统的高密度电法仪大有 提高 。通过 A M法和 A B M法装置 自动顺次切换 电极 , 获得大量的电法数据 , 不仅可实现所有现行的 直流高密度电法探测 如温纳二极 、 三极 、 四极等 数 据反演, 而且可进行高分辨地电阻率法反演。其中, 高分辨地电阻率法反演可用于超前探测 。 2 . 2 矿井瞬变电磁法 瞬变电磁法属时间域 电磁感应法 , 其利用不接 地 回路向地发射一次脉冲场, 产生一个 向回线法线 方 向传播的一次磁场 , 在一次磁场的激励下 , 地质体 将产生涡流 , 其大小取决于地质体的导电程度 , 在一 次场消失后 仪器断电 , 该涡流不会立即消失 , 将有 一 个过渡 衰减 过程 。该过渡过程又产生一个 衰减的二次磁场 向地质体 内传播 , 由接 收 回线接收 二次磁场 , 该二次磁场 的变化将反映地质体的电性 分布情况。如果有不 良导体存在 时, 将 观测到快速 衰减的过渡过程; 当存在 良导体时, 由于电源切断的 一 瞬间, 在导体 内部将产生涡流 以维持一次场的切 断 , 所观测到的过渡过程衰变速度将变慢 。 2 . 3矿井震波超前探测 矿井震波超前探测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 时会发生反射 的原理 , 结合巷道的特点 , 设计研制的沿巷道后方布 置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地 质条件的观测系统 。震波是 由特定位置进行小 型爆破产生的, 爆破点一般是沿巷道左 右 帮平行 洞底呈直线排列 , 这样 由人 工制造一系列规则排列 的轻微震源 , 形成地震 断面。这些震源发 出的地震 波在遇到地层层面 、 不 同岩层层面、 节理面、 断裂破 碎界面和溶洞 、 暗河 、 岩溶 陷落柱 、 淤泥带等不 良界 面时, 将产生反射波。 3 现场施工 3 . 1网络并行 电法 WB D 施工 2 0 0 9年 1 O月 7日 1 2 0 1 1工作面胶带运输巷掘 进至联络巷前方 2 2 1 m处, 在 1 2 0 1 1工作 面胶带运 输巷布置 1条测线 , 离巷道左帮位置约 1 . 5 m; 测线 第 1 电极位置 紧贴正 头, 电极距 2 . 5 m, 一共布置 4 8个电极 , 测线长 1 1 7 . 5 m; 超前电法采集站在测线 的中点位置 , 采集仪器为 WB D网络并行 电法仪。物 探解释是以后来 1 O月 8日当天正头位置为坐标零 点, 向巷道后方为负值, 超前方 向为正值 , 求取每个 电极点 的相对坐标 。 3 . 2矿井 瞬变 电磁 法施 工 本次矿井瞬变电磁法勘探测线布置在胶带运输 第 4 0卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AFETY & ENVI RONMENTAL PROTECTI ON V o 1 . 4 0 No . 5 0c t . 201 3 巷正头及左 、 右帮 3个 方向。正头测点问距 0 . 3 r n 左右 , 左右帮测点间距约 0 . 5 r n ; 左帮 7个测点 , 正头 8个’钡 点 , 右帮 8个测点 , 共计 2 3个物理测点。为了 探测到巷道掘进前方及其左右帮岩性变化 , 采用多 匝田字形线框 , 小回线测量。 3 . 3 MS P震波布置 本次 M S P数据采集工作量较大, 2 0 0 9 年 1 O月 9日 进行 1 2 0 1 1 工作面胶带运输巷正头 MS P超前探 。矿 井 MS P探测在正头有限条件和空间内展开, 采用炮击 震源。测线布置在左帮上, 炮点 2 0个 ; 接收传感器点 为 2个 , 物探 解释坐标 以 2 0 0 9年 1 0月 8日正头为 零点。 4 探测结果 4 . 1网络并行直流电法 WB D 探测结果 数据处理在 自行编制的“ 并行电法解析系统” 处 理平 台上进行 。本 次井下数 据主要 采用 了 A M 和 A B M装置形式, 在数据上传结束后及时存储, 针对 不同的装置 A M 或 A B M 选择不同的处理模块 。本 次处理二次场延迟范围为 1 0 0 ms , 数据为全空间 , 深 度 系数为0 . 5 ; 参数输入后在 1 个采样周期 内对每个 智能电极所采集到的 Ⅳ个电流值与电位值取均值或 方差值转换 为二次场电位 , 本次参数为均值 ; 在获得 电流值与电位值后进行畸变值剔 除, 将 明显不吻合 规律的电流值与 电位值剔 除; 经过上述 处理后进人 视 电阻率计算模块 , 针对不 同的装置 A M或 A B M 选择不同的处理模块功。 本次解释 以前期探测对 比重新处理为基础 , 分 析认为 低阻异常主要 由煤层变薄 、 局部煤岩 比低造 成 的低阻现象 , 富水量大小为次要原因; 高阻异常主 要 由煤层变厚 、 局部煤岩比高造成的高 阻现象 , 瓦斯 含量大小也是其原因之一。直流电法探测结果 以电 阻率成像图表示 , 红色为高电阻率值, 蓝色为低电阻 率值。胶带运输巷正头前方 2 53 5 m 内存在一相 对低阻区, 在正头前方 6 5~1 0 0 m 内电阻率值都相 对较高 见图 1 。 _-_龇蠲l____ 视 电阻率/ n 。 i n1 0 3 0 5 0 7 0 9 0 1 1 0 1 3 0 5 0 1⋯ 一 ~ 1 5I 巷 道长 度 , m ■■■■■■圈翻 ●■_1 2 o 1 帔带 巷 1 2 0 1 1 底板抽排巷 图 l 胶带运输巷并行电法超前探测结果图 4 . 2 矿井瞬变电磁法 MT E M 探测结果 瞬变 电磁数据处理选择 V 2 . 0 H Z I T E M系统 , 是 一 套井下 的专用数据处理软件 。其处理主要 流程 数据上传一格式转换一数据滤波处理一计算晚期视 电阻率一正反演计算 。本次测 区所有测点的感应曲 线总体规律为高阻 电阻介质 响应低 , 低 阻 电导 介质 响应高的趋势。从图 2中可见 胶带运输巷正 头前方 2 0 4 0 m阻值相对较低 , 此结果与电法探测 范围接近, 由于体积效应影响, 探测结果不可能完全 吻合。正头前方 4 0~ 7 0 m阻值没有明显变化 。 上 视电阻率/ Q m4 0 8 1 2 1 6 2 0 24 2 8 3 2 3 6 O O ......... ⋯⋯⋯ 巷道 长 度 / m 豳叠■圈豳豳■_ 1 2 0 1 1 ,- 1 0 48日正头 1 2 0 1 1 底板抽排巷 图 2 胶 带运 输巷瞬变电磁超前探测结果图 4 . 3 地震 MS P探测结果 在前期处理的基础上, 结合修正的 MS P属性参 数 , 并运用巷道实测剖面图进行验证 , 最终得到与实 测剖面图地质情况相似的反射波深度偏移成像结果 图。经过验证 , 得到适合该区域 MS P处理的物理参 数如下 1 初值拾取参 数选择纵波初值拾取 , 速度初值 为 3 9 0 0 m / s ; 其他参数和初值校 正按照默认设置 ; 带通 滤 波参 数纵 波 选取 2 0 0~5 0 0 H z , 横 波选 取 5 0~ 3 0 0 H z ; 纵横波分离极 化程度和极化方 向选为 0 . 3 , 视窗 1 0 ; 振幅调整选择道 内平衡和道间平衡 , 道 内平衡划分段数选为 1 6, 放大倍数为 1 0 0 。 2 核心处理为 MS P资料处理关键 , 反射波提取 正变换参数 P值间距为 0 . 0 1 m s / m, 逆变化参数 P域 区问一 1 . 0一 0 . 2 m s / m和 域区间 0~ 4 0 9 . 6 ms / m; 速度分析选择匀速 , 纵波速度选为 3 . 9 m / ms , 横波速 度为 2 . 2 m / m s 。深度偏移角度选 为 6 0 。 。探测结果 中反射面参数振幅百分 比和叠加百分比选为 5 0 %, 最 大界面数选为 5 。 图 3为胶带运输巷 MS P震波超前探测 P波和 S V波深度偏移成像结果 图, 图 3中异常界面反 映了 巷道前方弹性差异界面在空问的位置关系。综合上 述分析和现有地质资料对异常段作如下推断解 释 推断胶带运输巷 正头前方 2 0~3 0 1 1 1 处有较强的界 面 , 推断为岩性变化或断层裂隙带的影 响, 在新义矿 主要表 现为煤层变 薄。推 断胶 带运输巷 正头前方 6 5 Vo 1 . 40 No . 5 0c t . 2 01 3 矿 业安全 与环保 MI NI NG S AFETY & ENVI RONMENTAL PROTECTI ON 第 4 0卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 6 5~ 7 5 m处有较强的界面 , 推断为岩性变化或断层 裂隙带的影响, 在新义矿主要表现为煤层变厚。 / 二M ; P / P 波 \ 图3 胶带巷 M S P震波超前探测反射波深度偏移成像结果图 4 . 4 综合探测结果 通过电法 、 瞬变电磁法 、 地震综合探测 , 结合地 质资料 , 从 1 2 0 1 1工作面轨道运输巷 超前探 测综合 解释结果图可分析出 见图 4 1 在胶带运输巷正头前方 2 0~3 0 m处有一相 对低阻区, 同时在矿井瞬变电磁 M T E M 探测结果表 现类似 , 地震存在强反射相位组 , 此范围内存在岩性 变化 , 主要表现为煤层变薄; 2 胶带运输 巷正头前方 6 5~ 7 5 m处有一相对 高阻区, 地震存在强反射相位组 , 此范 围内存在岩性 变化 , 主要表现为煤层变厚 , 其变化 幅度较大 , 可能 存在瓦斯富集 。在正头前方 3 0~6 0 m 内局部可能 也存在煤厚变化的情况 。 图 4 1 2 0 1 1 二 T 作面轨道运输巷超前探测综合解释结果图 5 工程验证 从胶带运输巷实测剖面 图 5中分析可知 , 正头 前方在近 8 0 in范围内厚度变化剧烈, 赋存极不稳 定。正头前方 2 03 0 n l 处为煤层变薄 区域 , 最薄 处厚度仅 0 . 3 m, 顶部炭质泥岩和底部砂质泥岩厚 度增加 。正头前方 6 57 5 I l l 处煤层 由薄变 厚 , 煤 厚 由4 m增至 8 IT I , 在探底煤过程中存在 瓦斯 喷孔 现象 , 说 明瓦斯 含量高 , 突出危 险性增 大。在正头 前方 3 O~ 6 0 lI l 内煤层由薄变厚, 巷道内顶底板岩 层逐渐变薄 。 .66 . 正 _ I一 . ; 焉 一 一 ⋯ 一 - _ i i ; 一1 . 5 ~ j ⋯ 一1 . 8 D⋯ I迎头前方2 O ~ 3 0 in l l 迎 头前方6 5 ~ 7 5 i n - 2 5 5 -2 6 0 -2 6 5 - 2 7 0 - 2 7 5 - 2 8 0 -2 8 5 图 5 1 2 0 1 1 胶带运输巷剖 面图 实际揭露情况表明, 综合物探超前预测煤厚结果 符合工程实际。由于提前采取瓦斯治理措施, 掘进巷 道安全通过易于发生瓦斯突出的煤厚突变区域。 6 结论 1 利用网络并行 电法 、 瞬变 电磁法及矿井震波 综合物探技术在井下进行煤厚变化超前探测具有技 术可行性 , 在新义煤矿取得较好的探测效果 , 为治理 瓦斯和巷道布置提供了参考。 2 综合 物探结 果表 明, 胶带 运输巷 正 头前方 2 0~ 3 0 1T I 处显示有一相对低阻区, 同时在矿井 瞬变 电磁探测结果表现类似 , 地震存在强反射相位组 , 此 范围内存在岩性变化 , 主要表现为煤层变薄 ; 胶带运 输巷正头前方 6 5 7 5 I n处有一相对高阻区, 地震存 在强反射相位组 , 此范围内存在岩性变化 , 主要表现 为煤层变厚 , 其变化幅度较大。 3 从实际揭露情况看, 综合 物探预测煤厚结果 符合工程实际。胶带运输巷正头前方 2 0~ 3 0 m为 煤层变薄区域 , 最薄处煤层厚度仅 0 . 3 IT I , 胶带运输 巷正头前方 6 5~ 7 5 m煤厚变 大, 由 4 i n增 至 8 1T I 。 在正头前方 3 0~ 6 0 r f l 内煤层 由薄变厚。 参考文献 [ 1 ]高荣斌, 贺志强, 来争武, 等. 豫西新安煤 田煤层厚度变 化规律及其控 制 因素[ J ] . 煤 田地 质 与勘 探, 2 0 1 1 , 3 9 4 1 3 -1 6 . 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