矿井巷道震电联合超前探测原理及应用.pdf

第 1 5卷 第 4期 2 0 1 5年 1 2月 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 J OuRNAL OF J I ANGS U J l ANZ HU I NS TI TUTE Vo1 ． 1 5 N o． 4 De c ． 2 01 5 矿 井巷道震 电联合超前探测原理及应 用 张修 峰 江苏建筑职业技术学 院 能源与交通工程学 院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针对巷道前方等隐伏构造异常的复杂性 ， 采用结合地震反射波法和直流电法优点的震～ 电 联 合超 前 地质预 报 法 ， 即利 用地 震反 射 波法 对地 质界 面分 辨 率 高的特 点 ， 确 定物 性 异 常界 面 ； 利 用 直流 电 阻率 法对低 阻异 常体 反应敏 感 的特点 ， 确 定异 常界 面及 之 间 区域 煤层 厚 度 变化 、 岩 性 变化 、 富水程度等信息， 从 而定量定性超前探 测掘进巷道前方较 长距 离内的构造异常及其位置， 消除单 一 探 测方 法 的 多解 性． 通过 某煤 矿 2 1煤 试采 区回风巷 震 一 电联合 超 前 地质 预 测预 报 结 果 与 实 际揭 露情况对比验证 ， 准确预测预报 了掌子 面前方 1 0 0 m 以内的构造及物性异常， 大大提 高了超前地 质 预报 的探 测 精度 ． 关 键词 巷道 地质 构造 ；超 前探 测 ；地 震反 射 波 ；电 阻率 ；联 合 解释 中图 分类 号 P 6 3 1 ． 3 文献 标 志码 A 文 章编 号 2 0 9 5 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 0 1 3 0 5 Pr i nc i pl e a nd a p pl i c a t i o n o f s e i s m i c - e l e c t r o n i c s j o i n t a d v a n c e d d e t e c t i o n f o r mi n e r o a d wa y s ZHANG Xi u f e n g S c h o o l o f En e r g y a n d Tr a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g， J i a ng s u J i an z hu I ns t i t ut e，Xuz ho u，J i a ng s u 2 2 1 1 1 6，Chi na Ab s t r a c t Ac c o r d i ng t o t h e c o mp l e xi t y o f h i d d e n a b n o r ma l s t r u c t u r e i n mi n e t un n e l s，u s i n g s e i s mi c - e l e c t r o n i c s j o i n t a d v a n c e d d e t e c t i o n wh i c h c o mb i n e s t h e a d v a n t a g e s o f s e i s mi c r e f l e c t i o n me t h o d a n d d i r e c t c u r r e n t me t ho d i n c l u d i n g d e t e r mi n i n g p e t r o p hy s i c a l a n o ma l y i nt e r f a c e wi t h t he h i g h r e s o l u t i o n r a t i o o f s e i s mi c r e f l e c t i on me t h o d f o r g e ol o g i c a l i n t e r f a c e s ，d e t e r m i ni n g t h i c k n e s s c h a n g e s o f c o a l s e a m ，l i t h o l o g y c h a n g e s a n d wa t e r y d e g r e e s o f a b n o r ma l i n t e r f a c e s a nd i n t e r s p a c e s wi t h s e n s i t i v e r e f l e c t i o n o f DC r e s i s t i v i t y m e t h o d f o r l o w- r e s i s t a n t a n o ma l o us b o d i e s ， we ma ke q u a n t i t a t i v e a n d q u a l i t a t i v e a d v a nc e d d e t e c t i o n o n s t r u c t ur a l a n o ma l y a n d t he l o c a t i o n a t l o ng d i s t a n c e i n t h e f r o n t ，a n d r e mo v e t he mu l t i p l i c i t y o f s i n g l e d e t e c t i o n me t h o d ．T h r o u g h c o mp a r i s o n v a l i d a t i o n b e t we e n f o r e c a s t i n g r e s u l t s a n d p r a c t i c a l t r u t h o f r e t ur n a i r wa y o f 2 1 c o a l p r o d u c i n g t e s t a r e a i n o ne c o a l mi ne ， we a c c u r a t e l y p r e d i c t a nd f o r e c a s t t h e s t r u c t ur e a n d p e t r o p h ys i c a l a no ma l y i n 1 0 0 m i n f r o n t o f t u n ne l f a c e， wh i c h h i g h l y i nc r e a s e s t h e d e t e c t i n g p r e c i s i o n o f a d v a n c e g e o l o g y f o r e c a s t ． Ke y wo r d s r oa dwa y g e o l og i c s t r u c t ur e； a d va nc e d d e t e c t i on； s e i s m i c r e f l e c t i o n； s pe c i f i c r e s i s t a n c e ； j o i n t i n t e r p r e t a t i o n 随着现代科学技术发展 和人们安全意识 的提 收稿 日期 2 0 1 5 0 82 6 作 者简 介 张修峰 ，江苏徐州人 ，讲师 ，硕 士 E ma i l 4 5 7 8 7 7 2 9 q q ． c o rn 高 ， 对于 巷道 掘进 工程 质 量 提 出 了越来 越 高 的安全 要求 ， 尤 其 是 综 合 机 械 化 掘 进 生 产 技 术 的 快 速 发 展 ， 要求 必须 掌握 掘进 空 间 施 工过 程 中 遇到 的各种 地质 构 造或地 质 异常．目前 矿井 巷 道超 前探 测 与 预 1 4 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第 1 5 卷 报 的手段 主要 包 括钻 探 和 物探 两 大类 l_ 1 ] ， 其 中采 用 钻探接触式方法预报成本高、 效率低 ， 而物探方法 是 以前 方介 质 的物理 性 质差 异 为基 础 ， 通 过 观 测地 球 物理 场 的分 布 及 其 变 化 规 律 来 研 究 前 方 是 否 存 在地 质构造 或 异 常 ， 属 于 非 接 触 式 ， 具 有 广 阔 的应 用前 景和显 著 的经济 效益 ． 现 阶段 在 矿 井 巷 道 中广 泛 运 用 的超 前 探 测 方 法有 地 震 反 射 波 法 、 瑞 雷 波 法 、 直 流 电法 、 电磁 法 瞬变电磁法 、 无线电波透视法 和地质雷达 、 放射 性测 量 和红 外 测 温 等 技 术 2 ] ， 但 由于 巷 道 前 方 断 层 、 破碎 带 、 空洞 、 陷落 柱 、 富水 区、 瓦 斯 富集 区等 隐 伏 目标 体具有 复 杂性 ， 加 上巷 道 内可供 利 用 的空 间 有限． 因此 ， 采用单一 的方法在精确度 和准确性方 面并 不 十 分 可 靠 且 难 以 满 足 工 程 的 生 产 技 术 要 求l_ 7 ． 震一 电联合超前地质预报结合了地震反射波 法 和直流 电法 的优 点 ， 综 合 解 释巷 道 前 方 隐伏 构 造 异常 ， 并相互验证、相互补充 ， 大大提高了超前地质 预报 的探 测精 度． 1 震一 电联合超前探测方法原理 1 ． 1 地 震反 射法超 前探 测原 理 设 巷道有 一构 造界 面倾 角 为 硼， 上 界 面均 匀 介 质 波速 为 V ， 下界 面均匀 介质 波速 为 V ； 由 0点激 发 ， S点接 收 ， 设 0 为原点 ， S点距 离为 z， 到 界 面水 平 出露 点距 离 为 h ， S点 直达 波 射 线路 径 为 OS， 反 射 波 的旅行 路径 为 0 R R S， 如 图 1所 示 ， 经几 何 运算有 ，▲ 二 O 一 图 1 地震反射波超前探测原理 Fi g ．1 Adv a n c e d d e t e c t i on pr i nc i pl e of s e i s mi c r e f l e c t i o n 一 ， ㈩ 一 ． 式 中 t 、 t 为 0点 到界 面 、 S点 最短 时 间 ， 在 三角形 S O 0 “ 中 ， 由余 弦定 理可得 一 __ ／ x2 - ] - 4 h 2 s i n 2 w -- 4 x h s i n 2 w 3 一 1 一 1 ’ 式 3 可 以变换 为 I 1 ， 4 ， ’ ， ， 、 ‘ ， 其 中 口一h s i n 一 w ，b h s i n 2 w， 式 3 为一条双曲线 ， 随着 界 面 倾 角 的 减 小 ， 时 距 曲 线 变 缓．当倾 角 为 9 O 。 ， 即界 面 与巷道 中轴 线垂 直 ， 且 位 于巷 道 工 作 面 前方时 ， 时距曲线为一条直线 ， 其斜率 K 为 K 一 1 一 ， 其 中 t 。 为截 距 ， 这 里视 速度 的绝对 值 与直 达波 的视 速 度相 同， 但 符号 相 反 ； 当倾 角在 4 5 。 ～ 9 O 。 时 ， 视 速 度基本上为负速度值． 地震反射波超前探测为二维 观测系统通过视速度滤波， 提取反射波信号进行巷 道前 方绕射 偏移 n 卜 ] ． 1 ． 2直流 电法 超前探 测原 理 均匀全 空 间 中点 电源 的 电位 【 ， ， 为 U 一 ， 5 7 c r 式 中 为供 电电流 ； |0 为均 匀 全 空 间介 质 电阻 率 ； ， ． 为供电点到空间任意观测点的距离 ， 其等位线为 以 点电源为球心的球面． 直流电法超前探测基于直流 电法 点 电源原 理 ， 如 图 2所 示． 图 2直 流 电法 超 前 探 测 原 理 Fi g ． 2 Ad v a n c e d d e t e c t i o n p r i n c i p l e o f di r e c t c u r r e n t me t h o d 在 巷 道掘进 巷道 掌子 面 附近等 间距布 置 ／ -／ 个供 电 电极 A ， A。 ， ⋯ ， A ， 地下供 人 直流 电建立 人 工 电 场 ， 根 据 电流场 分 布原 理 ， 各 供 电 电极 分 别 供 电 时 都是 点 电源 ， 在 三 维 均 质 介 质 空 间 中其 电 流 线 以 A i 1 ， 2 ， ⋯ ， 极为球心往外辐射 ， 其等 电位 面是 以 A 为球心 ， 任意 测量 电极 M， 、 N， 一 1 ，2 ， ⋯ ， 为半径的球壳， M， 、 N， 电位差为A M， 、 Al N， 之间球壳 的体积范围内电位差 UM N， 根据球对称 原理， M， 、 N， 与对称供 电点前方 M 、 N 点电性变化 一 致．因此 ， 以 M， 、 N1电位 可 间 接 推 到 巷 道 前 方 M N 的球 壳体 积 的介质视 电阻 率 ， 若球 壳 体 积范 围 内有 电性异 常体 如含 水 断层 存在 ， 则其 视 电阻率 第 4 期 张修峰 矿 井巷 道震 电联 合超 前探 测 原理及 应 用 就会 发 生变 化 ． 通 过 在 巷 道 后 方 观 测 电位 的变 化 ， 从而 达 到超 前探 测 目的n ． 1 ． 3震 一 电联 合 探测 技术 原理 震一 电联合 探测 技术 研究是 指利 用地 震反 射 波 、 直流 电法 超 前 探 测 相 结 合 ， 并 以地 质调 查 资 料 相辅助提高勘探精度 和效率． 地震反射波法井下数 据采 集 所 的干 扰 影 响 较 小 ， 探 测 距 离 较 远 ， 对 构 造 界面的分辨 能力强 ， 能 可靠 地确定 围岩 的波 速分 布 、 反射界面的位置 、 界面两侧 围岩力 学特性等差 异 ， 为分析确定岩性界 面、 构造位置 等工程地质 问 题提 供 可靠 定 位依 据． 直 流 电法 方 法 提 供 电 阻率 剖 面 能很 好地 反 映 良导 电体 的赋 存 范 围 ， 提 供地 质 异 常体定性依据． 震一 电联合探测技术 可针对性解决 巷 道掘 进 工程 中 所 关 心 的 地 质 问题 包 括 构 造 软 弱 带 、 含水体 、 岩溶、 瓦斯超 限等 ， 特别是对于含水断 裂 、 含水溶洞 、 含 水松散体等不 良地质体 的预报 问 题 ， 减 小单 一 方 法 局 限性 和 多 解 性 ， 为 一 种 巷 道 掘 进多灾害源定性定位可靠方法． 2 应用 实例 苏北某 矿 区的一 个 煤矿 2 1煤试 采 区 回风巷 ， 采 区煤层 顶底板 均有灰 岩存 在 ， 底板距 离奥 陶系灰岩含 水层最小不足 i 0 0 m， 并发育不 同程度断层构造 ， 严 重威胁 到巷道 安全掘 进 ， 故 采 用震 一 电联合 超 前探 查 明巷道前方异常 1 0 0 I n范围内含水异常 、 断层构造等 不 良隐伏地质体探测． 地震反射波法采用炸药为震 源 ， 二道三分量检波器接受 z分量垂直掌子面 、 分 量垂直底板、 z垂直侧帮 ， 炮点布置巷道右侧， 距离 底板为 1 m， 炮间距为 2 r n ， 共 2 O炮 ， S 位于右侧与 掌子面交汇处 ， 最小炮检距 为 s 。 R 2 0 I n ， 最大炮 检距为 S R 5 8 m， 检波器对称安装在巷道右 R 左 R 两侧 ， 距 离 掌子 面 5 8 i n ． 直流 电法 观测 系 统 采用 L型 测线 ， 多极 供 电 叠 加 观 测 系 统 ， 电 极 布 置 巷道 底 板 ， 共 4 8个 电极 ， 其 中供 电 电极 5个 ， D ～ D。电极 距 离掌 子 面 0 ． 5 i n， 电极 间距 2 ． 5 m，Ds ～ D 电极 间距 2 ． 5 m， 测线 总 长 为 1 1 7 ． 5 m ， 以巷 道 掌 子 面为 零 点 ， 巷 道 探 测 前 方 为 正 方 向 建 立 坐 标 系 ， 如 图 3所示 ． 2 ． 1 地震 发射 波 超前 探测 法 地震发射波超前探测数据采集三分量数据体． 处理流程为 预处理一频谱分析一直达波求取一反射 波 提取一 波场分 离一速 度 分析一 深 度偏 移一 界面 提 取 ， 其中波场分离利用纵波和横波 的偏振特性差异， 采用 P o l i n e 极 化 滤 波实 现 ； 速 度分 析 以 P、 S直 达 波 速度背景值， 利用速度扫描与绕射偏移对速度模型修 正 ； 深 度偏 移采 用立 体椭 球偏 移技 术． 图 4为本次 现 场 实测 分 量地 震信 号 ， 从 图 中各 记 录 源检 距 和 初 至 到时 计算 出直 达 P 波 速 度 为 3 ． 5 m／ ms ， 直 达 S 波速度为 1 ． 9 m／ mS ． 图 5 为巷道前方地震 P波、 S V 波深度偏移成像结果 ， 不 同的颜色表达出反射波振 幅的振 幅 大 小 ， 颜 色 越 深 代 表 该 处 反 射 波 能 量 越 强 ， 偏 移剖 面清 晰显 现巷 道 前 方 弹性 差 异 界 面在 空 间的位 置关 系 ， 掌子 面前 方 1 0 0 m 范 围 内存 在 5处 较 为 明显 的反 射 界 面 ， 尺 异 常 界 面 距 掌 子 面 前 方 1 O～ 2 0 m， R2 异 常界 面距掌 子 面 2 6～ 3 2 m， R 3 界 面距 当 日迎 头前 方 3 9～ 4 3 m 位 置 ， R 界 面距 当 日 迎 头前 方 5 8～ 7 0 I T I ， R5 界 面距掌 子 面 7 8～ 8 6 m， 同时掌子面附近也存在相对强的反射界面． 图 3 现场侧线布置 示意 Fi g ． 3 S c he ma t i c di a g r a m o f s i d e t r a c k l a y o u t 懿 ； ； j 疆 图 4现 场 实 测 分 量 地 震 信 号 Fi g ． 4 M e a s u r e d X c omp o ne n t s e i s mi c s i gn a l 2 ． 2直 流 电超前 探 测法 直流电法超前探测数据 Mi 、 N 间的 电位差包 括 掘 进 工作 面 前 方 、 后 方 、 上 方 、 下 方 、 左 方 、 右 方 全 空 间 地层 的 地 质 信 息 ， 数 据 处 理 需 进 行 巷 道 空 腔影 响 校 正 、 底 板 干扰 校 正 、 层 状介 质 校 正 以及 畸 变点删除后 ， 偏移归位至巷道前方 ， 计算单元 网格 内电阻率平均值 ， 经方差校正克里 克插值成 图． 图 6是直流电法超前探测视 电阻率剖面 ， 视 电阻率在 0～ 1 2 0之间 ， 掌子面前方存在 明显高低阻值变化 区 段 ， 共 5个 电性 异 常 区 域 8～ 1 3 1 “I 1 低 阻 异 常 D 、 2 5 ～ 2 8 m低阻异常 D 、 4 4 ～4 6 m低阻异常D。 、 江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报 第 1 5 卷 5 8～ 7 0 m高 阻异常 G1 、 8 7～ 9 5 m 高阻异常 D ． 一 一 一 ⋯ ． bS V波 图 5地震反射法超前探测波深度偏移剖面 Fi g． 5 de pt h mi g r a t e d s e c t i o n o f s e i s mi c r e f l e c t i o n a d v a nc e d de t e c t i o n 5 0 5 3 0 2Ol O O 1 0 2 0 30 40 5 0 6 o 7 0 8 0 90 1 0 0 ■ |潮■l 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O 0 1 2 O 图 6直 流 电法 超 前 探 视 电阻 率 剖 面 Fi g ． 6 s p e c i fic r e s i s t a nc e s e c t i o n o f DC r e s i s t i v i t y me t h o d 2 ． 3震一 电联 合超前 探测 法 震一 电联合解释原则为 地震反射法超前探确定 物性异常界面 ， 直流电法超前探测确定异常界面及其 之间区域煤层厚 度 、 岩性 及 富水 程度 的变 化 ； 根 据前 面提出 的地震 波 、 直流 电法 超前 探测 结果 ， 结合 地质 资料综合分析推断， 在掌子面前方 1 0 0 i n范围内存在 5 组构造异常 区段， 整体而言岩体 完整、 稳定较差 、 构造发育、 局部岩体破碎、 易掉块、 欠稳 ； 探测范 围 内存 在大 断层破 碎带 、 岩 溶 等 不 良灾 害体 及 发 育裂 隙水． 具体位置为掌子面前方 1 0 2 0 m、 2 6 ～3 0 I n、 3 9 ～4 3 I T I ． 异常 区域反射界面明显 ， 视 电阻率均小 于 4 0 Q i n ， 分析结果 为小断层或破碎带 ， 煤层 变 薄 ， 岩层 富水 性 较 好 ， 巷 道 掘进 过 程 中会 伴 随 有 出 水 或淋 水现象 ； 掌 子面前 方 5 8 ～ 7 0 m、 7 8 ～8 7 m 异 常区域 ， 视电阻率值均大于 4 o Q r n ，尤其是 5 8 ～ 7 0 I n最大电阻率值达 1 2 0 Qm， 分析结果为断层 破 碎带 ， 煤层 厚 度 突 变 ， 巷 道 掘 进 过 程 中不 会 有 出 水 或淋 水现 象． 2 ． 4对 比验证分 析 根 据巷道 掘进 后 实 际揭 露 资 料 ， 与 探 测 结 果 与 进行 对 比， 揭露 4 个 正 断层 、 1 个 破碎 带 ， 8 ～5 0 m 区 域 局部顶板伴 随有淋水现象 ， 掌子 面前方煤层厚度 有 1 ． 2 r n逐渐变薄 为 0 ． 7 r n ， 在 6 8 m 突变为 1 ． 8 m， 探测 结果均与实际揭露剖面较吻合， 见表 I ． 表 1 现场探测 与实 际揭露对 比 Ta b．1 Co mpa r i s o n b e t we e n s i t e de t e c t i o n a nd pr a c t i c a l s i t ua t i o n 3 结 论 1 震一 电联合超前探测是以介质物理性质差异为 基础， 客观上为地震反射法提供了良好的物性界面． 2 直流电法 为物性界 面位置提供 了较好 的富 水 定性 、 岩性 变 化． 利用 震一 电联 合 超前 探测 技 术 在 2 1 煤试 采 区 回风 巷进 行 超 前 预测 的断 层 和 富 水 状 况 均与 开挖结 果相 吻合 ， 取得 了较好 效果 ． 3 本方法能定量定性 超前探测掘进巷道前方 较 长距 离 内的构造 异 常及 其 位置 ， 尤其 灾 害性 高 水 压含导水构造、 积水老窑采空区、潜在导水 断层及 导水 断裂发 育 带 和煤 后 变 化 等 ． 同 时 ， 在 进 行 超 前 地质 预报 时 ， 掌握 区域 地 质 、 水 文 条件 ， 将 有 助 于提 高探测精度． 该技术易于掌握 ，方便推广 ， 施工效率 高 ， 可为有 效保 障掘进 巷道 的生 产安全 提供 依据 ． 4 由于受巷道 内观测条 件 限制 、 观 测方 式简 单 ， 处理方法基 于均匀模 型 ， 准 确的超前地质 预报仍 有未 彻底解决 的技术难 题 ， 本 文仅 针对震 电联合 应用 ， 震 电一 联合超 前探测技术仍需 进一步研究． 参 考 文献 I- 1 ] 储 绍 良． 矿井 应用 物探 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版 社 ， 1 99 5． [ 2 ] 张平松 ， 胡 雄武． 矿井 巷道 掘进 电磁 法超前 探 测技术 研究现状[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 2 1 1 1 2 1 1 5 ， 1 1 9 ． [ 3 ] 郭纯 ， 刘 白宙， 白登海． 地 下全空 间瞬变 电磁 技术在 煤 矿巷道掘进 工作 面的连 续跟 踪超 前探测 E J ] ． 地震 地 质 ， 2 0 0 6 ， 2 8 3 4 5 64 6 2 ． [ 4 3 王洪勇 ， 张继奎 ， 李志辉． 长大 隧道红外辐 射测温 超前 预报含水体方法研究与应用实例分析[ J ] ． 物探化探计 算技术 ， 2 0 0 3 ， 2 5 1 1 1 1 7 ． [ 5 ] 韩德 品． 地质电法测温多参数综 合超前 探测技 术及应 用 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 1 4 9 91 5 0 6 ． [ 6 ] 白哲． 地质雷达在 隧道 超前 预报 中的应用 [ D] ． 武 汉 武 汉 理 工 大 学 ， 2 0 0 6 ． ＼ 一 ～ ～