利用声波远距离超前探测技术预报掘进工作面前方地质异常体的效果研究.pdf

Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 矿 业安 全 与环保 MI NI NG SAF ETY ＆ ENVI RONMENTAL PROTECTI ON 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3 年 6月 郭纯． 利用声波远距离超前探测技术预报掘进工作面前方地质异常体的效果研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 3 8 0 8 3 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 3 0 0 8 0 0 4 利用声波远距离超前探测技术预报掘进工作面 前方地质异常体 的效果研究 郭 纯 焦作煤业 集团 有限责任公司科研所， 河南 焦作 4 5 4 0 0 2 摘要 介绍 了声波远距离超前探测技术的原理和工作方法， 阐述 了应用该技术和 D T C一 1 5 0型防爆 远距离地质超前探测系统在赵固一矿探测掘进工作面前方地 质异常体 的效果及其验证情况 ， 物探准确 率在 7 2 ％ 以上。分析 了声波远距离超前探测技术在数据采集质量、 数据处理参数选择等方面存在 的问 题 ， 指 出了今后需要改进的方向。 关键词 声波； 远距离探测 ； 物探 ； 地质预报 ； 效果 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标志码 C 网络出版时间 2 0 1 3 0 5 2 0 1 1 3 5 网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D． 2 0 1 3 0 5 2 0 ． 1 1 3 5 ． 0 2 2 ． h t m l Re s e a r c h o n Effe c t o f App l y i n g Lo ng -r a ng e Ac o us t i c De t e c t i o n Te c hn o l o g y t o Pr e d i c t Ge o l o g i c a l An o ma l i e s i n Fr o n t o f He a d i n g Fa c e GU0 Ch u n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f J i a o z u o C o a l I n d nst G r o u p C o ． ， L t d ． ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c ri b e d t h e p ri n c i p l e s a n d w o r k i n g me t h o d s o f t h e l o n g - r a n g e a c o u s t i c a d v a n c e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a n d e x p o u n d e d t h e e ff e c t of a p p l y i n g t h i s t e c h n o l o gy a n d D T C一1 5 0 e x p l o s i o n-p r o o f l o n g -r a n g e a d v a n c e g e o l o g i c p r o s p e c t i n g s y s t e m t o d e t e c t t he g e o l o g i c a l a n o ma l i e s i n f r o n t o f t h e he a d i ng f a c e a n d t h e i r ve r i f i c a t i o n i n Zh a o g u No．1 Mi n e，wi t h t he g e o ph y s i c a l p r o s p e c t i n g a c c u r a c y u p t o 72％o r mo r e ． Th e p a pe r a l s o an a l y z e d t h e p r o b l e ms pr e s e n t i n t he qu a l i t y o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n a n d t h e s e l e c t i o n of t h e d a t a p r o c e s s i n g p a r a me t e r s o f t h e l o n g - r a n g e a c o u s t i c d e t e c t i o n t e c h n o l o gy ，a n d p o i n t e d o u t i t s i mp r o v e me n t d i r e c t i o n i n t he f u t u r e ． Ke y wo r d s a c o u s t i c wa v e；l o n g - r a n g e d e t e c t i o n；g e o p h y s i c al p r o s p e c t i n g ；g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n；e f f e c t 高产高效煤矿巷道掘进速度快 ， 需要准确探测 、 快速预报掘进工作面前方 断层 、 陷落柱等水 文地质 异常体 ， 以预防发生底 板、 采 空区突水等 灾难性事 故 ， 确保巷道安全掘进。 目前 ， 常用的井 下超前探测手段主要有钻探和 瞬变电磁法 、 直流 电法等矿井物探技术。钻探一般 至少需要超前 打 3个钻孔 ， 施工周期长、 费用高 ， 无 法满足巷道快速 掘进、 节 省成本 的需 求 ； 瞬变 电磁 法 、 直流电法等物探技术超前探测距 离一般不 大于 1 0 0 I n ， 容易受金属体 、 巷道施工条件影响 ， 且对小断 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 0 5 ； 2 0 1 3 0 1 1 5修 订 作者简介 郭 纯 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河 南新 乡人 ， 物探 高级工 程师， 1 9 9 1毕业于中国矿业大学勘察地球物理专业， 现任焦 作煤 业 集 团 有 限责任公 司科 学技术研 究所 副总工程 师。 8 0 层等微小异常体分辨能力有限 ， 实用效果有待改进 。 矿井生产迫切需要一种探测距 离较 远、 快速 、 准确 、 经济适用的掘进工作面超前探测技术来预报前方水 文地质异常体。 声波远距离超前物探技术可 以探测掘进工作面 前方 1 5 0 i n范围内断层 、 陷落柱等地质异常构造体 的位置及其含水性等 ， 具备其他方法没有 的优点 ， 符 合要求 。 1 声波远距离超前物探技术原理与施工方法 1 ． 1 技术原理 声波远距离超前物探技术属于反射地震波勘探 范畴， 采用了回声测量原理 ， 见 图 1 。地震波在指定 的震源点用小药量激发产生 ， 在岩石 中以球面波形 式传播 ， 遇到岩石物性界面 即波 阻抗差异界面 ， 如 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AFETY ＆ ENVI RONMENTAL PROTECT1 0N Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 断层 、 岩石破碎带 、 岩性变化带和陷落柱等 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。反射的地震波信号被高灵敏度 的地震检波器接 收 ， 里面包含或可提取 出波速 、 密度 、 泊松 比等多种 信息。反射信号的旅行时间和强度等分别与反射界 面的距离和性质 、 产状等有关 ， 据此可以直接测量出 反射界面的位置 ， 并可利用多种参数确定岩层含水 性等信息 卜 。 图 1 声波远距离超前探测原理及施工方法不 意图 1 ． 2施 工方 法 现场施 工布 置及测 试过 程 由一 系列 炮点 见 图 1 、 1 2个三维接收传感器 、 y 、 z方 向 、 数据 采集系统及数据处理系统组成。 炮点布置在巷道的左帮或右帮 ， 一般 2 4个震源 炮点布置成 1条直线 ， 按计划顺序激发 ， 检波器接收 每个炮点的反射波 ， 形成原始数据体 ， 供处理与分析 解释。 2 声波远距离超前物探技术数据处理与资 料解释 2 ． 1 数 据处 理 声波远距离超前探测数据处理采用深度偏移成 像方法 ， 一般流程如下 数据建立一带通滤波一直达 波拾取一起跳点信号处理一平衡各震源能量一品质 因子 Q评估一反射波提取一纵波 P 、 横波 S S V、 S H 分离一速度分析一深度偏移一 反射界面提取。经过 以上处理程序得到 P波、 S H波、 S V波的时间剖面、 深度偏移剖面 、 提取的反射层 、 各层岩石物理力学参 数等成果 ， 以及反射层在探测范围内的 2 D或 3 D空 间分布 图 。 2 ． 2资料解释 资料解 释主要基于反射波振 幅、 波速及 弹性参 数值 的大小及变化。如 P波与 s波 的反 射振幅之 比； P波与 S波的速度之 比； 围岩含水是否对泊松 比 的影 响等 ， 都是在进行资料解释时判断探测前方 岩性变化的依据 j 。 3 探测实例及效果研究 3 ． 1 探测效果 为验证声波远距离超前物探技术在煤矿实际应 用效果 ， 利用 D T C 一 1 5 0防爆远距离地质超前探测系 统 ， 在焦作煤业集 团赵固一矿东 、 西翼盘区选择 5条 巷道进行 了 1 1次探测 ， 分别是 西翼盘 区 1 2 0 4 1工 作面运输巷探测 2次， 西翼轨道运 输巷探测 1次 ； 东 翼盘区 1 1 0 0 1 工作面运输巷探O n ． 0 2次 ， 1 1 0 0 1 工作面 回风巷探测 3次 ， 1 1 1 3 1 工作面回风巷探测 3次。探 测全部在二 煤层 厚度约为 6 m 顶层煤巷进行 ， 总 体结果 5次物探结论为掘进工作 面前方不存在 断 层 ， 岩层部分区段节理裂隙发育或存在软硬变化界 面 ， 整体相对正常； 5次物探判 断出掘进工作面前方 不存在落差较大 1 ． 5 m 断层 ， 仅部分区段存在 微小断层； 1次物探结论为掘进工作面前方存在落 差较大断层。 通过巷道掘进或钻探验证 ， 总体上物探准确率 在 7 2 ％以上 。物探结果与验证情况见表 1 。 3 ． 2西 翼盘 区 西 翼轨 道 运 输 大 巷 掘 进 工 作 面 探 测 实例 图 2为西翼轨道运输大巷掘进工作面超前探测 成果图 ， 可 以看出 ， 探测前方 1 5 0 m范围内存在有较 强反射界面 ， 围岩纵波平均速度为 3 2 5 0～ 4 1 5 0 m ／ s ， 泊松比为 0 ． 1 0一 O ． 3 1 ， 围岩密度为 2 ． 2 9 2 ． 4 7 g ／ e m 。 物探结论 掘进头前方 1 1 4 ． 7 m 范围内未发现大 的 断裂构造 ； 1 1 4 ． 7～1 2 9 ． 7 m段 岩层裂 隙相对 发育 ； 1 2 9 ． 7 1 3 2 ． 5 m段岩石破碎 ， 为断层破碎带 ， 围岩含 水增加 ； 1 3 2 ． 5～1 4 5 ． 6 m段岩层裂隙较为发育， 为 断层影响带。 图2 西翼轨道运输大巷掘进工作面超前探测反射界面图 通过钻探验证 ， 掘进头前方 1 2 5 m见到 1个 落 差 1 5 m断层 ， 与探测结果基本相符 断层反映明显 ， 因波速取值有微小偏差 ， 位置稍有偏离 。 3 ． 3 东翼盘 区 1 1 1 3 1工作面 回风巷掘进工作面探 测实例 图 3为东翼盘 区 1 l 1 3 1工作面 回风巷掘进工作 面超前探测成果图， 可以看出 ， 探测前方 1 5 0 m范 围 ． 8 1 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 矿 业安 全 与环保 MI NI NG SAF ETY ＆ ENVI RONMENTAL PROTECTI ON 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 内反射 回波强度微弱 ， 围岩纵波平均速度为 3 9 5 0～ 4 1 5 0 m ／ s ， 泊松比为 0 ． 2 4～ 0 ． 2 8 ， 围岩密度为 2 ． 3 6～ 2 ． 4 3 g ／ c m 。物探结论 掘进 头前方探测范 围内无 明显断层反 映， 仅在 1 1 ． 3 、 6 1 、 1 0 5 ． 8 、 1 3 7 ． 6 I T I 等位 置发现几处微弱反射异常 ， 可能系岩层局部节理裂 隙发育所至。 探测完成后该巷道正常掘进 1 5 0 I n ， 未发现断层 存在 ， 探测结果与实际揭露相符。 4 结论及 改进 方向 4 ． 1结论 从赵固一矿 1 1次掘进工作面远距离超前探测 8 2 ． “ 。L u60_ h 9 L0“山 L 1山20 “l uL 150“ “ “。 ＼ 、 ／ 酒 ／ ／ JI ／ 0 6 0 图 3 1 1 1 3 1 工作面 回风巷 掘进 工作 面超前探测 反射界面图 实践来看 ， 物探准确率大于 7 2 ％。其中， 西翼轨道运 第 4 0卷第 3期 2 0 1 3年 6月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF E I Y E NVI R0 NME NT AL P RO T EC T I ON Vo 1 ． 4 0 No ． 3 J u n ． 2 0 1 3 输大巷超前探测到的断层落差为 1 5 m， 断层反射波 极强， 图形显示非 常明显 ； 1 2 0 4 1工作面运输巷 掘进 头 西二胶带巷与 1 2 0 4 1 运输巷交叉 口向西 6 8 8 ． 8 m 处 超前探测发现 的前方小断层落差仅 为 0 ． 3 5 m； 1 1 0 0 1工作 面回风巷和 1 1 1 3 1工作面 回风巷共 6次 探测都未发现落差较大断层 ， 与巷道揭露情况基本 相符。 验证说 明， 声波远距离超前探测技术适用于快 速预报煤矿巷道掘进 头前方 1 5 0 m范围内断层 、 陷 落柱等具有差异性界面的地质异常构造体位置及其 含水性等 ， 且具有较 高分辨率。该技术 的推广应用 可减少超前钻探工作量， 提高巷道掘进速度 ， 指导巷 道安全掘进。 4 ． 2存在 问题及改进方 向 4 ． 2 ． 1 数据采集质量问题 在本项 目1 1 次探测 中 ， 2次探测受到掘进头钻 场影响 ， 部分探 测受 打孔 、 装 药 、 封孔等施工质量不 高影响 ， 造成采集的原始数据有偏差 ， 影响物探结论 的准确性。 为了保障原始数据质量 ， 就需要注意避免炮孔 、 接收孔与掘进头之间存在的钻场 ， 防止炮孔偏斜 ， 装 炸药时要确保送炸药至孔底 ， 封孔时炮泥量要足够 ， 保障炸药与围岩耦合良好。 4 ． 2 ． 2准确选择数据处理参数问题 数据处理软 件输入 的参 数一般 为通用 经验数 值 ， 在多数情况下适用但不精准 ， 需要根据实际探测 情况进行调整， 必要时可以采用几个参数分别处理， 对结果进行综合判断， 作出合理选择。 对 同一巷道条件下连续跟踪多次探测 ， 有助于 通过总结选择准确的处理参数 ， 提高预报精准度。 4 ． 2 ． 3改进 方 向 实践证 明， 声波远距离超前探测技术准确率较 高 ， 对断层 、 陷落柱 等地质异 常构造体 漏判几率较 低， 但存在误判、 多判的可能性， 容易把局部节理裂 隙或岩层界面判断为异 常体 ， 这与其 探测原理 和应 用软件 的解析能力有关 ， 需要改进。 与所有物探手段一样 ， 该技术存在多解性 ， 在资 料处理解释过程 中需加强与其他物探技术和钻探 、 水文地质资料的结合 ， 综合分析解释 ， 才能“ 去伪存 真” ， 减少误判 ， 提高预报准确性 ， 更好地 为煤矿安全 生产服务 。 参考文献 [ 1 ]王俊茹． 工程与环境地震勘探技术[ M] ． 北京 地质出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]刘志刚． 隧道隧洞施工地质技术[ M] 。 北京i 中国铁道出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ]戴前伟， 何刚， 冯德 山．T S P 一 2 0 3在隧道超前预报 中的 应用[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 5 ， 2 0 2 4 6 0 4 6 4 ． [ 4 ]张景科， 谌文武， 雷启云． T S P 2 0 3地质超前预报原理及 其提高精度的途径[ J ] ． 天津城市建设学院学报， 2 0 0 4 ， l 0 3 1 7 0 - 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