矿井多波多分量地震超前探测原理与应用研究.pdf

2 0 1 1 年8月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 8 卷第4期 矿井多波多分量地震超前探测 原理与应用研究 李云波。 ， 彭红玲 1 ． 中南大学 信 息与物理工程学院 ， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 中煤科 工集团重庆研 究院 ， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 针对煤矿井下超前探测不 良地质体构造情况 ， 介绍 了 D T C一1 5 0防爆地质超前探测仪的多 波 多分量地震勘探原理和井下数据采集方法， 研 究了不 良地质体资料解释原则 ， 使用该仪器对不 同的矿 井进行超前预报探测应用研究。研 究结果表明 该仪器能够较准确地预报掘进工作 面前方 1 5 0 m 内断 层 、 围岩裂隙、 岩石破碎带以及 富水情况。 关键词 矿井； 多波多分量； 超前探测； 地震勘探 中图分类号 T D 2 6 3 ； P 6 3 1 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 1 0 4 0 0 3 1 0 3 煤矿中存在很多深度大 、 地质条件 复杂 的工作 面， 导致各种矿井灾害时有发生 ， 极大地影 响了煤矿 安全生产。我国煤矿物探领域主要 的超前探测方法 有 矿井地质雷达探测技术 、 电法超前探测技术、 地 震波超前探测技术等。其 中地震波超前探测是根据 断层、 陷落柱等地质异常构造与周 围的接触边界密 度及速度存在明显 的差异 ， 结合岩石 的弹性和地震 波场理论 ， 使其具有预测预报距离大 、 探测效果好的 特点， 其研究热点集中在 受限空间波的全空间传播 理论 、 探测仪器及方法 、 解释软件等领域。中煤科工 集团重庆研究院于 2 0 0 7年研制出 D T C一1 5 0防爆地 质超前探测仪 ， 成功解决 了矿井 长距离超前 预测 预 报问题 。笔者利用 D T C一1 5 0防爆地质超前探测仪 对不同矿 区进行应用研究 ， 以期 为煤 矿井 下长距 离 超前探测研究提供参考依据 。 1 矿井 多波 多分量地震勘探超 前探测原理 地震波勘探是通过采集纵波和横波 的数据来计 算煤岩的力学参数 ， 从而定位 出不 良地质体的位置。 D T C一1 5 0防爆超前探测仪 的工作原理是采用三分 量反射地震方法 ， 3个分量采集地 震波。与其 他反 射地震方法一样 ， 采用 回声测量原 理。地震波在指 定的震源点用少量炸药激发产生 。地震波在煤岩 中 收稿 日期 2 0 1 01 03 1 ； 2 0 1 1 0 2 2 8修订 基金 项 目国 家 “十 一 五”科 技 支 撑 计 划 项 目 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 1 作者简介 李云波 1 9 8 2 一 ， 男， 四川广安人， 博士研究生． 主要从事矿井物探技术及仪器的研究工作。Em a i l l y b 0 1 1 2 1 6 3． c o rn 以球面波形式传播 ， 当遇到岩石物性界面 即波阻抗 差异界面如断层 、 岩石破碎带 、 陷落柱等构造 时， 一 部分地震信号反射 回来 ， 另一 部分信号折射进入前 方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波 器接收。反射信号 的旅行时间和反射界面的距离成 正比， 故能提供一种直接 的测量手段 J 。其工作 原理如图 l 所示 。 图 1 D T C一1 5 0超前探 测原 理示 意图 D T C一1 5 0超前地质预报 系统的现场 布置及测 试过程 由一 系列 炮 点 、 1～2个 三维 接 收传 感 器 ， Y ， 方向 、 接收机及数据处理系统构成 。在高精 度传感器接收到 的信号 中， 只有从巷道掘进工作面 前方和侧面反射回来 的信号才包含有关前方岩层的 信息。由传播时间可得传播速度 p X 1 ／ t 1 1 式中 。 为爆破孔与传感器的距离， m； 直达纵波 的传播时间， S 。 已知地震波的传播速度就可以通过测得的反射 波传播的时间推导出反射面与传感器的距离以及与 31． 2 0 1 1 年 8 月 矿 业安 全 与 环 保 第 3 8 卷第4期 巷道掘进面的距离。整个推导过程可 由下式导 出 2 D 1 一 一 、 厶， p p 式 中 t 为反射波的传播时间 ， s ； 为爆破孔与反 射 面的距离 ， m； 为传感器与反射面的距离 ， m。 根据地震波勘探基本理论 ， 纵波 和横波 传 播速度可 由下面公式得到 ／ G| E √ ，＼ ／ 丁 3 式中 A为拉梅系数 ； G为岩石的切变模量 ； p为岩石 密度 ； E为岩石的弹性模量 ； 为泊松 比。 岩石 密 度 与 波 速 之 间 的 关 系 可 由下 式 确 定 一 P1 ． 4 3 9 1 0 一 。 4 可见只要 知道 了纵波和横波的波速 ， 岩石 的基 本力学参数都可以根据以上公式计算出来。 2 数据 采集及不 良地质体解释原则 2 ． 1 现 场数 据 采集 方法 经过多次实验及工程验证 ， D T C一1 5 0探测仪数 据采集方法遵循 以下步骤 1 布孔。必须按要求布置 2 4个炮孑 L 炮孑 L 深 度 1 ． 5 m， 间距 1 ． 5 m， 高度 1 m， 孔径 4 2 mm 和 1 个 接收孔 深度 2 m， 距第 2 4号炮孔 1 6 m， 高度 1 Il l ， 孑 L 径 4 5 mm 。 2 装药。每个炮孑 L 装入 8 0 g 乳化炸药 ， 必须使 用瞬发雷管。 3 封孑 L 。用锚 固剂封堵 2 4个 炮孔 ， 封孔深 度 6 0 0 m m以上 ， 以减少声波干扰。 4 逐炮起爆 2 4炮 ， 同时采集数据。 5 2 4炮起爆完成后 ， 现场采集工作结束。 D T C一1 5 0现场数据采集方法见图 2 。 l 6 m 3 m 深 2 m， L 炮 孔 深 度 1 ．5 m，每 炮间距 1 ． 5 m，且所有 孔 径4 5 mm 炮孔及接收孔均在 同一 直线上 图2 D T C一1 5 0现场数据采集方法示意图 2 ． 2 不良地质体资料解释原则 将采集到的数据传输到计算机， 通过专门的数 据分析处理软件进行处理 ， 得到岩体的纵横波速度 变化图及各种岩石基本参数变化曲线。结合地质情 况对这些变化曲线进行分析 ， 可 以得到软硬 、 节理发 32 育程度 、 富水程度等预报结果。 通过对大量工程实例和揭露的地质资料进行对 比研究 ， 总结 出以下几条解释原则 1 断层 、 破碎带及岩溶陷落柱。断层破坏 了岩 体的完整性和连续性 ， 是裂 隙、 岩溶 发育 的地带 ； 破 碎带的特征取决于其物质组成和胶结程度等因素 ； 岩溶陷落柱的特征主要取决于其物质组成 、 干湿性 、 含泥量等因素。其最根本的特征是与围岩存在十分 明显的密度差异 ， 随着含水程度的不 同， 对弹性波传 播的影响也不 同。在深度偏 移剖面 中， 这些地质体 存在较强的正负波反射 ， 纵波波速降低 ， 密度 曲线起 伏大 ； 若含水较 丰富 ， 则横波反射 比纵波反射更强 、 纵横波速度比减小 ， 密度增 大 ； 静态杨 氏模量降低 ， 反映出裂隙发育 、 岩体破碎的特征 。 2 软弱岩层。如泥岩、 煤 系地层 、 炭质板岩 或 严重风化破碎带 等软弱夹层 ， 密度小 、 强度低 ， 在深 度偏移剖面上 ， 常表现为由较 强的负反射过 渡到较 强的正反射。 3 含水 、 储 水构造。断层破 碎带 、 不整合 面和 侵入岩接触带常为含水构造。结构松散 、 裂隙发育 、 富含地下水是其共 同特点 ， 在处理结果 图中， 横波反 射 比纵波反射强 ， 纵波速度减小 ， 横波速度不发生 明 显变化 ， 纵横波速度 比减小 ， 静态杨氏模量降低 。若 从软岩过渡到含水 、 储水构造带 ， 则密度增 大， 产生 正反射 ； 若从硬岩过渡 到含水 、 储水构造带 ， 则密度 减小 ， 产生负反射。 3 现场应用 3 ． 1 在晋煤古书院矿的应用 D T C一1 5 0仪器采集到的数据如 图3所示。图3 数据处理结果 中反射界面 以线条 的形式画 出， 表示 在这些位置存在物性反射界面异常。 图3 晋煤古书院矿原始数据图及处理结果 从探测结果看 ， 在探测范围内存在明显的地质异 常体界面。本次地质预报范围内围岩稳定性较差 ， 主要 表现在岩体节理裂隙发育 ， 岩质较软， 局部渗水 ， 探测范 围内没有发现较大的采空区。岩层稳定性较差， 易发生 2 0 1 1 年8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 8 卷第4期 掉块、 坍塌。详细的预报结果如表 1 所示。 表 1 晋 煤古书院矿预报结果 长度／ m 推断结果 o～ l 8 岩 质 较 警 裂 隙 较 发 育 ， 岩 体 破 碎 ， 易 塌 方 、 掉 块 ， 围 岩 稳 足 性差 l 8～4 3 岩质较 软， 裂隙局部较发育 ， 岩体较破碎 ， 易掉块 ， 围 岩稳 足性t差 岩性变化较大 ， 岩体 密度整体相对变大 ， 层理 较发 4 3～8 0 育， 岩体较破碎 ， 易掉块 ， 可能有断层 ， 围岩稳 定性 较差 8 0 1 2 0 岩质较软 ， 裂 隙较 发育 ， 岩 体破 碎 ， 易 塌方 、 掉 块 ， 围岩 稳 定 性L差 1 2 0 1 3 5 凳 麟 易 塌 方 、掉 块 ， 围 岩 稳 定 性 极 差 经过掘进验证 ， 掘进前方 4 6 m和 1 2 5 m处分别 存在断层和破碎带 ， 没有出现漏报 。 3 ． 2 在贵州瓮安煤矿的应用 D T C一1 5 0防爆地质超前探测仪在瓮安煤矿采 集到的数据如图 4所示 。图 4数据处理结果 中反射 界面以线条的形式 画出， 表示在这些位 置存在物性 反射界面异常。 j j i i j j 譬 j j f 一 ’ ～ 图4 贵州瓮安煤矿原始数据图及处理结果 探测结果 以探测 时 的掘进 工作 面作为 0 m位 置 ， 根据处理结果分析 ， 得 到以下结论 工作面前方 2 1 ～6 2 1T I 内岩石密度相对较大， 但节理裂隙相对发 育 ； 工作面前方 1 0 2 m处存在一小断层 ， 1 0 2～1 2 0 m 岩石密度较大 ， 岩体完整 ； 其他未判断的地段未发现 存在大的异常。详细预报结果如表 2所示 。 表 2 贵州瓮安煤矿预报结果 垦 竺 塑堕墨 0 2 1 岩质较好 ， 岩体较坚固完整 ， 围岩稳定性较好 ， 岩石密度整体变化较大 ， 裂隙局部较发育 ， 局 部含 ～ 水 ， 岩体较破碎 ， 易掉块 ， 围岩稳定性差 岩体密 度整体 相 对变 大， 层理 较发 育 ， 岩 体较 破 6 2 ～l 0 2 碎 ， 易掉块 ， 可能有 断层 ， 围岩稳定性较差 1 0 2～1 2 0 岩体整体 密度较大 ， 岩体较坚 固完整 ， 围岩稳定 性 经过掘进验证 ， 掘进前方 9 5 m处存在断层 ， 没 有出现漏报。 4 结论 1 D T C一1 5 0防爆地质超前探测仪探测距离都 在 1 0 0 m 以上 ， 最大探测距离达到 1 3 5 m。 2 该仪器 能够较 准确地 探测 出断层 、 围岩 裂 隙、 岩石破碎带及富水情况 ， 漏报概率较小。 参考文献 [ 1 ]姚姚． 地震波场 与地质勘探 [ M] ． 北京 地质 出版社， 20 0 6． [ 2 ]徐伯勋， 白旭滨， 于常青． 地震勘探信息技术一提取、 分 析和预测[ M] ． 北京 地质出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ]滕吉文． 2 l世纪地球物理学的机遇与挑战 [ J ] ． 地球物 理学进展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 2 2 0 8 2 1 5 ． [ 4 ]芦俊， 王赘， 赵伟． 应用三分量地震数据反演煤系地层孔 隙含水量[ J ] ． 地球物理报， 2 0 1 0， 5 3 7 1 7 3 41 7 4 0 ． [ 5 ]王齐仁． 地下地质灾害地球物理探测研究进展[ J ] ． 地球 物理学进展 ， 2 0 0 4， 1 9 3 4 9 75 0 3 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