煤巷地震地质预报技术与应用.pdf

2 0 0 8 年第 5 期 能 源 技 术 与 管 理 5 9 煤巷地震地质预报技术与应用 武威， 邓帅奇 中国矿业大学 资源与地球科学学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 [ 摘 要 ] 利用地震反射波探测技术对巷道前方和周围空间地质情况进行预报预测，是 一种 有效的煤矿井巷中进行地质超前预测预报的技术。 该技术具有操作简便、 探测方式 多样 、 对异常反映灵敏等特点 ， 在实际应 用中取得 了较好的效果。 [ 关键词] 地震波 ； 超前探 测； 反射共偏移 法； 数据处理 ； 断层 [ 中图分类号]P 6 3 1[ 文献标识码]B [ 文章编号]1 6 7 2 -9 9 4 3 2 【 】 8 0 5 0 5 9 3 0 引 言 煤矿在生产过程中，存在着许多影响安全和 生产的地质因素。 特别是在巷道掘进中， 揭露一些 未查明的地质构造如断层 、 陷落柱 、 老空区等， 有 口 丁 能造成的塌陷、 突水等地质灾害。 因此这些地质 构造的延展方向与长度特征，以及在] 二 作面或巷 道两帮内的隐伏情况，严重影响着煤矿的安全生 产。 在煤矿巷道的超前地质预报方面， 传统的巷道 超前地质预报方法进行的预测预报已不能满足生 产的需要，这为巷道中地震波反射法超前探测技 术提供了应用空间。 相比于其他的探测技术， 巷道 地震超前探测技术具有有效探测距离长 ，对地质 异常反映灵敏 、 定位准确 ， 探 测成本低 ， 基本不影 响生产等优势。能够及时对断层、 陷落柱、 煤层厚 度变化 、 溶洞 、 老空区及 围岩的稳定性作出有效的 预测预报， 从而为煤矿安全生产提供可靠的指导。 1 探测技术原理 井下地震探测技术是依据地震反射勘探技术 的原理 ， 在煤矿巷道中以炸药或锤击作为震源 ， 地 震波在煤岩中以球面波形式传播，当遇到岩石物 性界面 即波阻抗差异界面，例如陷落柱等构造 时， 一部分地震信号反射回来。 通过对接收到的反 射波信息进行分析来判别地质情况的方法。其单 道观测系统的波路图如图 1 所示 。 直达波和反射波时距曲线方程分别为 t l 一OA AS三 畦 2 2 ／4h2．t_X2 式 中， 为介质中的波速 ， h为探测 目标 的界 面深度， t 。 为直达波初值时间， t 为反射波初值时 间。 探测时通常采用反射共偏移探测方法 引 。首 先选定合适的偏移距和采样窗口；采用单道小步 长， 保持激发点和接收点距离不变， 同步移动震源 和接收传感器；探测时可根据现场情况和探测 目 的确定激发次数和每次激发的接收道数，最后得 到地震记录剖面。共偏移法现场施工示意图如 图 2所示 。由于各道具有相同的偏移距 ， 因此这种共 偏移地震剖面可更准确的识别反射波同相轴。继 而进行反射波相位追踪， 求取反射相位时间， 即可 求得探测 目标体的深度 ， 并进行地质解释。 一 r 一～ 丁 ⋯一 一 ～ I ， } ／ ＼ } ／ l J， ⋯．．．． 一一 反射界面 A 0 ．激发点； s ． 接收点 图 1 单道观测 系统反射波波路图 图 2共偏移探测 法现场施工示意图 2探测技术 2 ． 1数据采集 由于巷道的空间局限性 ，地震探测工作 只能 6 0 武威， 等煤巷地震地质预报技术与应用 2 0 0 8 年第 5 期 在巷道内的有限空间内进行 。探测工作面内的地 质异常时可沿侧帮布置测线 ， 如图 2所示 ， 探测巷 道迎头前方的地质情况时可在掌子面上布置测 点。 地震波的激发采用小药量的炸药或锤击震源 ， 探测时由于受煤帮松动或煤体自身松散特性的影 响， 往往不能形成很好的地震波。 为了获得有效的 地震波数据 ，炸药震源应安置于约 1 ． 5 n q 深的孔 中， 锤击激发时可加垫特别设计的锤垫 ， 以激发有 效的地震波向煤f 岩 体中传播， 保证能量能向介质 传播与返回并被地震检波器所接收。接收检波器 也要尽量避开煤岩壁的松动范围，保证接收到有 效的地震波信号。 2 ． 2 数据处理 数据处理的主要步骤为信号输入 、道集校 正 、 振幅平衡 、 静校正、 数字滤波 、 偏移剖面形成和 修饰处理l2 。 由于采用共偏移法探测因此进行数 据处理时无需进行时差校正，而主要是通过波组 相位追踪对比进行地质解释。根据波形剖面中反 射相位同相轴的连续追踪与对比，利用时距曲线 公式对反射波组进行深度计算 ，结合已知地质资 料及地质体的各种特征进行解释 ，最终形成地质 剖面。 数据处理中地震波速度的选取是关键 ， 可在 数据采集时单独试验以获准确的地震波速度 。此 外 ， 还可以通过频率域的相关分析来判定煤 、 岩层 中介质特性的变化， 构造的延展范围等信息。 3 应用实例 3 ． 1 工作面内构造延展情况探测 旗山矿 1 3 3 0 6 工作面开采煤层为下石盒子组 l 煤 ， 煤层厚度 1 ． 0～2 ． 8 m， 平均厚度 2 ． 2 m。顶板 为砂质泥岩 ， 夹有棕灰色 ， 全层致密少有植物化石 及滑面， 局部还呈黑色含有煤质。 底板为泥岩。 据 1 3 3 0 6风巷和运输巷揭露局部若 干断层发育 ， 落 差为 0 ． 7 ～ 4 ．5 m不等，出于回采安全以及降低回 采成本考虑 ，矿方要求探明巷道揭露断层在T作 面内的延展情况。 巷道掘进完成 ，回采前需对T作面内构造走 向和延展情况进行调查。现场测量时测线布置在 巷道侧帮煤层 中，基本为一条直线 。采用锤击激 发 ， 每次激发两道接收， 探测偏移距 3 ． 0 m， 移动步 距 3 ． 0 m， 道间距 3 ． 0 m。在运巷中共布置测点 7 5 个 ， 探测距离 2 2 5 m。 首先选取地质条件均匀 、测试条件较好的巷 道进行速度测试， 测试结果如图 3 所示。 测试点 1 所 得速度值为 1 2 5 3 m ／ s ，测试点 2 所得速度值为 1 5 7 2 m ／ s 。考虑到探测区域侧壁煤层破碎等情况， 选取综合速度 1 4 0 0 m ／ s 。 a 测试点 1 h 测试点 2 图 3 单道波速测试分析结果 测试点 1 1 2 5 3m／ s 测试点 2 1 5 7 2m／ s 1 3 3 0 6工作面运巷探测波形图如图 4所示。 图中地震波在工作面内的各种反射波组特征明 显， 反射相位清晰， 为解释和判别提供了依据。从 图中可见从测量点 1 0 0 m到 1 3 0 m处 ，向工作面 内延伸5 0 m具有较强反射波能量。 从图5 的波形 频谱分析中发现对应区域的的震波频率明显降 低 ， 推测为反射界面与巷道走向夹角较大。 且反射 区域较为破碎，造成反射波频率偏低。测量时在 1 0 2 m处有一断层发育 。同时坑透资料也显示在 相应位置有一走向相同的异常 ，异常延伸范围与 地震资料基本吻合。 结合已有的地质、 物探资料分 ‘ 一 图4 1 3 3 0 6工作面运巷探测波形及初步解释 l‘{ “ ■ ■ { ％ ” { { ‘ j } ； ‘ } } t m 一 图 5 1 3 3 0 6工作面运巷探 测波形频谱分析 乏 一 2 0 0 8 年第 5期 能 源 技 术 与 管 理 6 l 析 ，可判定在所探测 的范 围内具有一条与巷道走 向约 7 5 。 的断层 ，而在 另一侧风巷 中测量的结果 并未发现该断层的延伸 ，因此推断该断层在工作 面内延伸约 5 0 余 m并逐渐尖灭。后经回采掘进 揭露在 1 0 01 0 5 m为一断层带 ， 与探测解释基本 吻合，对回采_T作面综采方案设计及安全掘进起 到了很好 的指导作用。 3 ． 2底板探测 4 R 韩桥矿 3 0 1_丁作面材料道沿 l 7 煤掘进 ， 为调 查巷道底板状况和下层煤层情况进行探测。探测 沿巷道底板布置测线 ， 探测波形图如图 6所示。 由 于底板可见为泥岩且较松软 ，探测时采用 了工字 型锤垫进行激发 ，接收时将钢钎钉人底板 0 ． 5 m 安置检波器接收。波形剖面图中可见在 3 0 3 5 1T I 处 出现强反射界面 ， 经资料验证为下层 2 l 煤采空 区， 距巷道底板约为 3 3 m。 1 2 T ．， m 。 l ⋯ } { ； I L l 一 2 异 常 区 域 图 6 3 0 1材料道底板探测波形 4 结语 矿井地震地质探测技术是一种煤矿井巷中对 前方和 四周地质情 况进行探测 和预报 的有效手 段，其对岩层分界和异常区域具有较好的适应性 和敏感性 。测量中使用 的地震地质探测仪操作简 便 、 探测成本低 、 探测方法多样。 测量时激发与接收应在同一层介质 中，接收 检波器应与介质充分耦合，以便有效地接收到反 射信号。震源的选择应视现场条件和探测目的而 定 ， 炸药震源能量较强 ， 有效探测距离较远 ， 反射 信号清晰， 对资料解释更 为有利 。 但是对现场条件 和测量人员要求较高 ， 且工作量大 、 耗时较长 。锤 击震源能量较弱 ， 探测距离相对较短 有效距离一 般为 5 0～ 7 0 m ， 但具有激发简便、 可多次重复 、 不影响正常生产等优势 。 资料处理中的波速选取是资料解释的关键。 因此在探测前应对探测区域的地质条件进行全面 的分析 ， 测量中对波速进行精确的调查和实验 ， 并 根据现场条件选用较合适的综合速度，更好的提 高地质解释的精度。资料解释应注意当煤层 中出 现夹矸 或底板隆起时也会 在局部 出现强反射 界 面 ； 而地质异常走向与探测方 向夹角较小时 ， 形成 的有效反射界面较短， 不易分辨。 此时应结合震波 频谱等其他资料进一步分析。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 李小平． 巷道内远距离震波超前探测可行性分析[ J ] ． 河北煤炭 ， 2 0 0 5 ， 1 5 6 ． [ 2 ] 张松平 ， 刘盛东 ， 李培根． 井巷煤岩体内构造特征反射 波探测技术与应用 [ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 0 6 ， 3 3 6 43 4 6． [ 3 ] 刘盛东， 郭立全， 张松平． 巷道前方地质构造 MS P法超 前探测技术与应用研究[ J J ． 工程地球物理学报， 2 0 0 6 ， 3 6 4 3 7 4 4 2 ． [ 4 ]E ．B r ． u c k l a ， W．C h w a t ， J ．D ． o l z l mu l l e r ，W．J o b s t l A s t u d y o f t h e a p p l i c a t i o n o f VS P t o e x p l o r a t i o n a h e a d o f a t u n n e l[ J j ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 1 ， 3 8 8 3 3 8 4 1 ． [ 5 ] 胡运兵， 吴燕清， 宋劲． 薄层状介质中反射地震超前探 测的特性分 析 [ J ] ． 河南理工 大学学报， 2 0 0 6 ， 2 5 6 4 69 -47 3． [ 作者简介 ] 武威 1 9 7 8 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 中国矿业大学资源与 地球科学学院硕士研究生， 研究方向为地球探测与信息技 术。 [ 收稿日期 2 0 0 8 0 4 2 3 ]