煤矿掘进巷道地震反射波超前探测技术及应用.pdf

Vo 1 ． 4 0 No ． 2 Ap r ． 2 01 3 矿 业安全 与环保 MI N I NG S AF E ，I ’Y ＆ ENVI R0NMEN T AL P RO TE C T I ON 第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 4月 段天柱， 赵洪月， 胡运兵， 等． 煤矿掘进巷道地震反射波超前探测技术及应用[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 3 ， 4 0 2 8 0 8 2 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 3 0 2 - 0 0 8 0 - 0 3 煤矿掘进巷道地震反射波超前探测技术及应用 段 天柱 ， 赵 洪月。 ， 胡运兵 ， 张钊 1 ． 中煤科工集团重庆研究院， 重庆 4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 山西晋神能源有限公司， 山西 河曲0 3 6 5 0 0 摘要 矿井巷道掘进过程中遇到的断层、 陷落柱 、 破碎带等地质异常体 ， 会直接影响掘进施2 1 2 效率 ， 同时会给矿 井的安全生产带来极大的威胁。采用地震反射波法进行 井巷超前探测， 能够对掘进坑道前 方断层构造及其异常界面的位置进行较准确的预报。在分析反射波法超前探测数据采集及处理解释方 法的基础上， 结合井下掘进巷道探测实例 ， 介绍 了地震反射波法超前探测应用成果。 关键词 矿井巷道； 地震反射波； 超前探测； 地质异常体 中图分类号 T D 2 6 ； P 6 3 1 ． 4 文献标志码 C 网络 出版时间 2 0 1 3 - 0 3 - 2 5 1 4 1 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 3 2 5 ． 1 4 1 5 ． 0 2 3 ． h t ml Ad v a nc e De t e c t i o n Te c hn o l o g y wi t h Se i s mi c Re fle c t i o n W a v e a nd I t s Ap pl i c a t i o n i n Co a l M i ne Ro a dwa y Ex c a v a t i o n DUAN T i a n z hu ，ZHAO Ho n g y u e ，HU Y u n b i n g ，ZHANG Zh a o ．C h o n g q i n g R e s e a r c h 疵 e o fC h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p， C h o n g q i n g4 0 0 0 3 9 ， Chi n a ； 2 ．S h a n x i J i n s h e n E ner g y C o ． ， L t d ． ， H e q u 0 3 6 5 0 0 ，Chi n a Ab s t r a c t T h e g e o l o g i c a b n o r ma l b o d i e s s u c h a s f a u l t s ，s u b s i d e d c o l u mn s a n d f r a c t u r e d z o n e s w h i c h we r e e n c o u n t e r e d i n t h e e x c a v a t i o n p r o c e s s o f r o a d w a y s wi l l d i r e c t l y a f f e c t i t s e x c a v a t i o n e f f i c i e n c y，a n d w i l l a l s o t h r e a t e n t h e s afe p r o d u c t i o n o f t h e mi n e ． T h e u s e o f s e i s mi c wa v e s f o r r o a d w a y a d v a n c e d e t e c t i o n c a n a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e p o s i t i o n o f t h e f a u l t s t r u c t u r e a n d i t s a b n o r mal i n t e r f a c e i n f r o n t o f t h e h e a d i n g f a c e ．T h i s p a p e r d e s c r i b e d t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s of a d v a n c e d e t e c t i o n w i t h s e i s mi c r e fl e c t i o n w a v e me t h o d b a s e d o n t h e d i s c u s s i o n o f d a t a a c q u i s i t i o n，d a t a p r o c e s s i n g a n d i n t e r p r e t a t i o n me t h o d s a n d a c c o r d i n g t o t h e r e a l d e t e c t i o n e x a mp l e s o f t h e mi n e r o a d wa y． Ke y wo r d s mi n e r o a d w a y ；s e i s mi c r e fl e c t i o n w a v e ；a d v a n c e d e t e c t i o n ；g e o l o g i c a l a n o ma l y 目前 ， 我国机械化采煤量已超过 7 0 ％ ， 在煤矿综 合机械化生产过程 中， 首先遇到 的问题是不能准确 地预测工作面前方有何 种地 质异 常体及其 准确位 置 、 规模大小 ， 以致 造成 巨大 的经济损失 和人员伤 亡。这些地质异常体包括 小断层与褶曲、 陷落柱、 煤层的冲刷与风化 、 煤层 的分叉与合并 、 岩浆岩体 、 溶洞、 老空区、 可能的涌水点及通道等。所有这些地 质破坏与异常 ， 即使规模不大 ， 如果未能提前准确预 测， 就将直接影响综采优势的发挥和矿井水患的有 效防治 ， 并危及矿井 的安全。现 阶段我 国东部 主要 收稿日期 2 0 1 2 0 8 0 4 ； 2 0 1 3 0 1 2 4修订 基 金项 目 “ 十 二五” 国家科 技 重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 0 0 2 ； 国家 自然科学基金面上项 目 6 1 1 7 4 0 0 6 作者简介 段天柱 1 9 8 5 一 ， 男， 河南光山人， 硕士， 助理 工程师， 主要从事煤 田地 球物理 勘探 方 面的研 究工作。 E ma i l d u a n t i a n z h u 1 6 3 ． c o m。 8 0 矿区经过多年开采 ， 浅部资源已趋枯竭 ， 迫切需要开 采深部 的煤炭资源。随着矿井向深部延伸 ， 地质构 造 、 瓦斯与水等影 响矿井安全高效生产 的问题将更 加突出， 而靠原有地质勘探成果和传统的地质方法 很难解决这些 问题 。因此 ， 开展井下地球物理勘探 ， 为矿井设计与生产提供精细的地质结构 ， 是矿井地 质工作发展的必然趋势⋯ 。井下地震反射波勘探作 为一种构造探测的地球物理手段， 具有采集信息量 大、 探测精度高 、 抗干扰能力强的特点 ， 开展井下地 震反射波勘探具有重要 的理论和实践意义_ 2 J 。 l 地震反射波法超前探测技术原理 地震反射波法依据地震反射勘探技术 的原理 ， 主要通过地震波在指定的震源点激发 ， 通常是在煤 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 ， 当遇到地质异常界面时， 地震波 第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 4月 矿 业安全 与环保 MI NI NG S AFETY ＆ ENVI RONMENTAL PROTECTI ON Vo 1 ． 4 0 No ． 2 Ap r ． 2 01 3 会发生反射 ， 反射 回来的信号 由高精度 的地震检波 器接收。通过对反射信号 的运动学和动力学特征分 析， 可以提取 由不 良地质体 断层 、 陷落柱等 构成的 反射界面信息， 从而达到超前探测的 目的 ] 。 目前， 井下地震反射波勘探常用的方法主要有小偏移距单 点反射法 、 隧道地震波超前预报 T S P 方法等。 1 ． 1 小偏移距单点反射法 地面反射波法地震勘探为了避免先于 目的层反 射波到达 的直达纵 横波 、 面波 、 声波 和折射 波等干 扰 ， 而选择足够 大的偏 移距 。在浅层和极浅层探查 时 ， 偏移距略大 ， 则 可能形成 宽角反射 ， 并带来一 系 列难题。为解决这一问题 ， 地质雷达 、 水声法等通常 采用极小偏移距的发射 、 接 收系统 。考虑矿井掘进 工作面现场条件 的影 响， 通常将 激发点和接收点布 置在掘进巷道的迎头 ， 激发震源为铜锤 ， 单道检波器 接收。数据采集采用多次锤击单道 的接 收方式 ， 通 过分析地震波信号的振幅、 频率等信息 ， 获取掘进工 作面前方 的地质异常情况 J 。图 1为小偏移距单点 反射法超前探测示意图。 面 图 1 小偏移距单点反射法超前探测示意图 1 ． 2 隧道地震波超前预报法 隧道 地 震 波 超 前 预 报 系 统 T u n n e l S e i s m i c P r e d i c t i o n ， 简称 T S P ， 是 由瑞 士安伯格 A m b e r g 测 量技术公司研制的一套先进 的地质超前预报探测系 统。T S P技术主要用于隧道超前地质预报 ， 具 有预 报距离远 、 施工方便 、 数据处理解释简单等优点 ， 在 瑞士 、 德 国、 法国、 美国 、 日本 、 韩 国等发达 国家的隧 道施工中得到了广泛应用 ， 尤其成为 T B M法施工决 策中不可或缺的工序。国内是从 2 0世纪 9 0年代开 始引进这套技术 ， 主要用于隧道施工 ， 从应用的效果 来看 ， 在距掌子面 1 0 0 m以内的预报结果 比较可靠。 近年来 ， 由于 T S P系统防爆仪器 的成功开发 ， 该项技 术被逐步应用到煤矿井下。 矿井中应用 T S P技术通 常采用单道或两道 、 多 炮激发的观测系统。根据煤矿井下巷道 的特点 ， 激 发点和接收点通常布置在巷道的一侧。采用小药量 炸药震源激发 ， 高精度三分量地震检波器接收地震 信号。三分量检波器记录了 2个水平方 向和 1个垂 直方 向信息。多分量检波器接收的地震信号携带 了 更为丰富的信息量 ， 更易识别小 的地质异常构造 的 位置和影响范围。接收到的地震信号主要通过反射 波提取 、 地震波速度分析及偏移成像 ， 提取掘进工作 面前方 的反 射界 面 的信息 ， 超 前 预报 异 常地质 构 造 。矿 井 巷 道 地震 反 射 波 超 前 探 测 示 意 图见 图 2 。 面 图2 矿井巷道地震反射波超前探测示意图 2 地震反射波 法超前探 测应用效果分析 阳煤集团五矿 四采 区地质构造复杂 、 断层较多 ， 在巷道掘进过程 中存在瓦斯 突出危 险， 需要对巷道 掘进过程 中的安全可靠性作 出评价和开展瓦斯突出 防治的技术研 究。因此 ， 在 巷道掘进过程 中采用地 震反射波法进行跟踪超前探测 ， 为采 掘工 程提供地 质预报 ， 确保安全生产。 2 ． 1 小偏移距单点反射法应用实例 探测工作在巷道有限空 间的掌子面上进行 。探 测时 由于受 掌子面煤体 松动或煤 体 自身 松动 的影 响， 往往不能形成好 的地震波激发接收条件。为了 获取有效 的地震波数据 ， 锤击激发时可加上锤击垫 ， 以保证激发出有效的向煤体方向传播的地震波， 检 波器也应当尽量避开煤壁 的松动 区域 ， 保证 检波器 与煤壁耦合 良好。图 3所 示为煤 巷掘进 头探测成 果 ， 可以看到在 1 5 ． 5 m s 处存在一反射界面 ， 根据该 区域以往探测经验取煤体地震波速为 1 7 0 0 m ／ s ， 则 反射界面位于掌子面前方 1 3 ． 2 m处 ， 后经巷道掘进 验证此异常为煤层 中的小断层。 暑 ＼ 垦 占 0 ． O 1 0 ． 0 道号 1 2 3 4 5 图 3 小偏移距单点反射法探测 实例 2 ． 2 隧道地震波超前预报法应用实例 采用 T S P方法进行超前地质预报 ， 通 常在巷道 81 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 Apr ． 2 01 3 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF E T Y ＆ E NVI RON ME NT AL P RO T E C T I ON 第 4 0卷第 2期 2 0 1 3年 4月 的一侧布置 2 4炮 激发单道 三分量接 收观测 系统。 炸药一般选用一级或二级岩石乳化炸药 ， 灵敏电雷 道号 道号 吕 ＼ 星 ’ 1 1 管触发 。图4所示为典 型的煤巷地震数据 ， 分别为 、y 、 3个方向分量。 道号 a x方向 b y方向 c z方向 图 4 煤巷地震波超前探测原始数据 三分量 原 始数 据经 过滤波 、 初 至拾取 、 炮 能量均 衡 、 Q评估 以及波场 分离 包括反射波 提取 、 纵 横波分 离 、 速度分析后 ， 得到深度偏移剖面及提取 的反射 界面。煤巷地震波超前探测结果解释剖面如 图 5所 示。掘进工作面前方共解 释了 5个岩性分界面 ， 其 中在前方 1 1 0～1 2 0 m处 的反射面经验证 为一较大 的断层构造 ， 其余界面实为小断层及破碎带 ， 基本上 控制了掘进前方大 的异常构造 ， 提供了有效 的超前 地质预报信息。 2 0 g 1 0 雷 一 8 - 5 0 巷道 里程， m 一 6 O 一3 O O 3 0 6 O 9 O 1 2 0 1 5 0 图5 煤巷地震波超前探测结果解释剖面图 3 结语 1 小偏移距单点反射法施工较为灵活、 施工周 期短、 激发简单 ， 可重复多次， 但受迎头现 场条件影 响较大 ， 且 探 测距 离 相 对较 短 有 效距 离 一般 为 5 0～ 7 0 m 。T S P法超前预报探测距离远 有效距离 一 般为 1 5 0 i n 、 探测精度较高 ， 但是前期辅助工作 较长。实际应用中， 可根据具体情况选用不 同方法 ， 也可进行联合探测 ， 互相验证。 2 在煤矿井下掘进头进行地震反射 波超 前探 测 ， 总体上具有距 离 目标探测体近、 抗干扰能力强、 探测结果直观可靠等特点。 目前 ， 地震反射波法 已 在我国煤矿井下超前探测中发挥着重要作 用， 为巷 道安全掘进提供有效技术指导。随着对井下地质体 地球物理特征 的深入研究， 井下高性能 防爆设备 的 进一步开发 ， 矿井地震反射波法超前探测技术将会 迎来更广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ]程建远， 李淅龙， 张广忠， 等．煤矿井下地震勘探技术应 用现状 与发展展 望[ J ] ．勘探地球 物理进展， 2 0 0 9 ， 3 2 2 9 6 1 0 0 ． [ 2 ]程建远． 煤矿井下高分辨率地震探测技术[J ] ．煤田地 质 与勘探 ， 1 9 9 7， 2 5 5 1 4 1 6 ． [ 3 ]刘盛东， 吴军， 张平松．地下工程震波技术与应用[ J ] ． 中国煤田地质， 2 0 0 1 ， 1 3 3 5 9 6 1 ． [ 4 ]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 4 3 - 4 6 ． [ 5 ]胡 运兵．矿 井地 震 反射 超 前 法探 测 煤 层冲 刷 带 的应 用[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 2 ， 3 8 1 1 1 1 6 1 1 9 ． 责任编辑 李琴 上接第 7 9页 [ 2 ]肖艳， 徐细波， 周如禄， 等．药剂法去除矿井水中多种有 害物质的应用研究 [ J ] ．能源环境保护， 2 0 0 8 ， 2 2 5 3 0-31 ． [ 3 ]高亮， 周如禄， 毛维东， 等．一种煤矿井下用矿井水深度 处理装置 中国， 2 0 0 9 2 0 2 7 3 4 2 8 ． 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