矿井地质探测仪在构造超前探测中的应用分析.pdf

2 0 1 3 年第6 期 中州煤炭 第 2 1 0 期 矿 井地质探 测仪在构造超前探测 中的应用分析 刘松涛 ， 乔茂甫。 ， 赵喜海。 ， 边 兵 ， 高松岭 1 ． 平顶 山天安煤业股份有 限公 司 十一矿 ， 河南 平顶 山4 6 7 0 0 0 ； 2 ． 平顶 山天安煤业股份有限公 司 ， 河南 平顶 山4 6 7 0 0 0 摘 要 为提高矿 井地质探测仪在掘进工作 面构造探测 中的准确性 ， 有效指导矿 井的安全 生产 ， 使用 矿井巷道 地质探测仪对不同条件下弹性波速度 参数进行 分析及试 验， 确定 了不 同煤层 、 不 同赋存情况下速度分析参 数 的设定方法。根据 实际揭露情况验证 分析表 明， 该技术大大提高 了构造探测 的准确率。 关键 词 构造 ； 超 前探 测； 弹性波 ； 速度分析参数 中图分类 号 P 6 3 1 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 0 6 0 0 2 8一 O 3 地震 勘探 作 为主 要 物 探 的方 法 之 一 ， 广 泛 应 用 于煤矿采 区合理布置 、 主巷道开拓 、 综采工作面开采 地 质条件 评价 ， 在采 区设 计优 化 、 避 免 和减少 地质 风 险 、 优选采煤方法、 提高资源采 出率 、 降低万吨掘进 率等方面起到了重要作用 。但据相关资料统计 ， 许 多物探仪器探测结果准确率平均在 4 5 ％ ， 有 的甚至 不到 2 0 ％。为了使探测仪器 与实际地 质情 况有机 结合， 提高矿井采掘工作面构造探测的准确性 ， 笔者 结合平煤股份十一矿多煤层构造复杂区域开采的实 际条件 ， 通过对不同条件下弹性波速度分析参数研 究及试验 ， 找出探测设备与地质条件 的有机结合点 ， 使探测准确率大为提高。 1 超前探测 系统工作原理 矿井 巷道 震波 超前探 测 系统 Mi n e S e i s m i c P r e ． d i c t i o n ， MS P 是一套适合各种矿井条件 的巷道超前 预测 技术 ， 该 系 统 以本 安 型 K D Z 1 1 1 4 6 B 3 0巷 道 地 质探 测仪 为 中心 ， 利 用 在 巷 道 内按 一定 的排 列 方式 激发人工地震波 即弹性波 ， 在向三维空间传播的 过程 中 ， 遇到 波阻 界 面 即地 质 岩 性变 化 的 界 面 、 断 层界面 、 构造破碎带等 将会产生 弹性波 的反射现 象 ， 反射波被检波器接收下来 ， 通过数据处理从 中获 取探 测前 方 的反射 波信 息 ， 从 而达 到预报 的 目的 ， 是 一 种新颖 、 快速 、 有效、 无损的反射地震探测技术。 2研究方法及技术路线 2 ． 1研究 方法 收稿 日期 2 0 1 3一O 1 2 1 作者简 介 刘 松涛 1 9 7 5 一， 男 ， 河南 临颍人 ， 助 理工程 师， 2 0 0 7年 毕业于河南理工大学 ， 现 主要从事矿井防治水 及矿井地质工作。 28 在不 断的探索过程 中， 十一矿先对有揭露资料 的巷道进行探测 ， 探测后进行对 比分析 ， 找到弹性波 速度分析参数在不同煤 岩 层的设定规律后， 完成 了多条巷道的探测工作 ， 收集了大量 的探测资料 ， 并 在多个开掘工作面进行应用且不断完善， 最终研究 出不 同煤层、 不同厚度、 不同围岩条件下的弹性波速 度分析参数。 2 ． 2技 术路线 以 K D Z 1 1 1 4 ． 6 B 3 0巷道地质探测仪为研究试验 仪器 ， 将十一矿丁、 戊 、 己三组煤掘进工作面作为试 验场进行研究。分别设定同煤层不 同厚度条件下 、 同煤层不同顶底板岩性条件下速度分析参数的研究 与试验 ， 从而找 出不同煤层 、 不 同厚度 、 不同围岩条 件下 的速度分析参数 ， 再通过多个开掘工作面的应 用进一步完善。①分别在垂深超过 6 0 0 m的己、 戊 、 丁组 煤层 的现有 掘进 工作 面煤 层厚 度稳定 地段 进行 试验。②分别在垂深超过 6 0 0 m的己、 戊 、 丁组煤层 的现有掘进工作面煤层厚度不稳定地段进行试验。 ③分别在垂深超过 6 0 0 m的己、 戊、 丁组煤层的现有 掘进工作面煤层顶 、 底 板变化较大地段 进行试验。 ④根据上述 3个步骤研究试验所得出的弹性波在煤 层中速度分析参数值 ， 在垂深超过 6 0 0 m的现有开 掘工作面进行应用实验， 以验证 弹性波在煤层中的 速度分析参数设定值是否准确可靠 。 。 通过上述方案实施 ， 力求找 出多煤层构造复杂 区域开采活动 中构造探测与地质条件 的有机结合 点 ， 从 而解 决矿井 构 造 探 测 与 预报 准 确 率 偏 低 的 问 题 ， 使构造探测预报准确率 由以往不足 4 5 ％提高到 7 5 ％以上 ， 继而为巷道施工方案优化 、 施工安全及解 放资源量提供技术保障。其技术路线如图 1 所示 。 2 0 1 3年第 6期 刘松涛， 等 矿井地质探测仪在构造超前探测中的应用分析 总第 2 1 0期 数据采集 数据分析处理 地质预报 l 巷道揭露 验证 总 结影响因 素 总结速度参数l_ 1 分析 影响因素 分析速度 参数 图 1 地震波速度 参数 设定的技术路线 3 弹性波速度分析参数研 究与设定 3 ． 1不 同 的煤 岩 层 弹性波在不同煤层中因煤层密度 、 煤层结构 、 煤 层成分不同而不 同。采用矿井 地质探测 仪分别对 丁 煤层、 戊 加煤层和 己 加煤层进行 了探测 ， 通过 实 际揭露 验 证和 对 比分 析 ， 找 出 弹性 波 速度 分 析 参 数设定的影响因素。 1 结构。弹性波速 度受煤岩 层结构所控 制， 煤 岩 层颗粒 的接触关 系差通常 导致 弹性 波速度 低 ， 而煤 岩 层胶结程度好 ， 弹性波速度 明显增强。 因为 颗粒 之 间的接 触 区域 大 ， 所 以大 颗 粒 的砂 层 比 细颗粒 砂层 呈 现更 高 的 弹性 波 速 度 ； 分 选 性 差 的 煤 层呈现较高的弹性波速度 ， 因为分选性差降低了孑 L 隙度 ， 未固结砂层的分选性 和颗粒尺寸会影响未固 结砂层 的 ／ 和泊松 比； 砂粒 的圆度等也会影 响 弹性波 速 度 和 V ／ V , 圆 滑 的 颗 粒 导 致 更 好 的颗 粒 接触关系 ， 从而具有更高的速度。 2 成分。弹性波在煤层 中的传播速度因煤层 的成分不 同而不 同。煤层中的成分 主要有镜质组 、 均质镜质体 、 惰质组及丝质体等形成多组合类型， 这 些成分的存在直接影响着弹性波传播速度 。 3 密度。弹性波 的速度随着煤岩层的密度增 加而增加 。煤岩层密度小 ， 其分子间或颗粒 间存在 的空隙相对较大 ， 在弹性波传递的过程中 ， 由于受到 空隙界面的反弹或影响 ， 导致速度分析参数减小 ， 从 而导致弹性波在整个煤岩层中传播速度降低 。 综上影响因素 ， 确定在不 同煤 岩 层中适于该 矿的矿井地质探测仪速度分析参数 砂 岩为 2 ． 8～ 3 ． 0 m／ ms ； 砂 质 泥岩 为 2 ． 5～2 ． 8 m／ ms ； 泥 岩为 2 ． 3 ～ 2 ． 5 m ／ ms ； 丁 -6 煤层为 1 ． 2～1 ． 3 m ／ m s ； 戊。 _ l f1 煤层 为 1 ． 4 m ／ m s ； 己 I I l 7 煤层 为 1 ． 0～1 ． 2 m ／ ms 。 3 ． 2不 同的 围岩情 况 在同一煤层不同围岩情况下探测时 ， 其顶底板 岩性变化将会扰乱弹性波 的接收 ， 从而使探测结果 不准 确 。如在 戊。 煤 层 中探测 时 ， 顶 底 板 和 夹 矸 的 岩性变化直接导致弹性波速度分析参数的设定。 戊 。 ． 1 6 1 5 0运输 巷煤 层 顶 板 为 泥 岩 或 粉砂 岩 ， 煤层底板为泥岩或细砂岩 。当煤层顶板和底板为砂 岩 、 弹性波速度分析参数选用 1 ． 4 m ／ m s时， 实际揭 露的断层或煤层赋存状态变化在探测异常区内； 而 当煤 层 顶板 和底 板 为泥 岩 、 弹性 波 速 度 分 析参 数 也 选用 1 ． 4 m ／ m s时， 实际揭露 的断层 或煤层赋存状 态变 化 和探测 异 常 区有偏 差 。综 合分 析 ， 在 同一 煤 层 中 ， 顶 底板 为砂 岩 时 比顶 底 板 为 泥 岩 时 的 弹性 波 速度 快 表 1 。 表 1 不同顶底板情况下弹性波速度分析参数m ／ m s 3 ． 3 不 同的赋存 状态 在 同一 煤层 中探 测时 ， 煤层 越厚 ， 其 弹性波 的传 播速度越小 ； 岩层越厚 ， 其弹性波的传播速度相对变 大。所以， 煤 岩 层的赋存状态变化直接影响弹性 波 速度 分 析参 数 的设 定 。如 在 己 ， - 2 2 1 0 2回风 巷 探测时， 当煤层厚度大于 4 ． 0 m、 弹性波速度分析参 数选 用 1 ． 2 m／ ms时 ， 断 层 或 异 常 区在 探 测 范 围 之 内 ； 当煤 层小 于 4 ． 0 m 时 ， 弹性波 速度分 析参 数选 用 1 ． 0 m ／ m s 为宜 表 2 。 表 2 不同赋存状态下弹性波速度分析参数 m ／ ms 3 ． 4 煤 、 岩 巷 波形及 速度对 比情况 矿井巷道地质探测仪能探测预报多种矿井地质 问题 ， 特别 是对 波阻抗 差异 较 大 的地 质构 造 ， 其 准确 性 较好 。利 用该 仪器 对 地 质 构 造 进 行超 前 探 测 ， 可 为技术决策提供参考依据， 避免因技术上 的失误 而 造 成损 失 。但 由于不 同的岩层 或煤层 的波阻抗 差异 也 不相 同 ， 应 先获 得探 测现 场不 同介 质 的速度参 数 ， 这样在距离确定时准确性更高， 指导性更强。针对 此 情况 ， 十一 矿对 矿 区 内的岩 层 和 煤 层 进行 了 多次 探 测 ， 通 过 MS P数 据 处理 软 件 的 “ 带通 滤 波 参 数 调 整 、 振幅调整” 的处理参数确定 、域滤波线性叠加 ， 再 利用 F K方 法 、 通 过 宽速 度域 、 窄频 带 进行 二 次 2 9