矿井震波超前探测技术（MSP）在鹤壁矿区的应用研究.pdf

矿 井 震 波 超 前 探 Ij 技 术 M S P 在 鹤 壁 矿 区 的 应 用 研 究 陈文东 陈国申 贾社芹 鹤煤公司， 河南 鹤壁 4 5 8 0 0 0 摘 要 为了有效验证矿井震波超前探测技术对巷道掘进前方 1 0 0 m范围内的实用、 有效性 ， 采用锤击震法对巷道进行了震波超 前探测试验 ， 并通过后期巷道实际揭露情况进行验证， 验证结果表明 M S P技术是一种较为突出、 有效实用的物探技术。 关键词 震波超前探测 MS P； 异常构造； 试验研究 中图分类号 F 4 0 3 ． 7； T D 1 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 80 1 5 5 2 0 1 4 0 40 1 9 7一O 1 l概 述 为了研究验证震波超前探测技术 MS P 对巷道掘 进异常构造探测 的有效性 ， 在鹤煤十矿进行 了震波超 前探测 ， 仪器采用型号为 K D Z 1 1 1 46 B 3 0的矿井巷道 地质探测仪。 1 5 0 4底板抽放巷及回风斜巷围岩地质构造为单斜 构造 ， 走向近南北偏西 ， 倾向近东。 1 ． 1围岩及 特征 顶板 为灰色致密砂质泥岩 、 性脆含铝质及植物化 石 。 主要掘进层位 为 C 3 L 8灰岩 以及砂质泥岩 ， 平均 厚度为 5 ． 8 5 m。 底板 C 3 L 8石灰岩 和灰 色砂 质泥岩 ， 砂质泥岩 致 密、 性脆， 含铝质及植物化石， 石灰岩含海百合茎及腕 足类动物化石。 1 ． 2地 压 情 况 1 5 0 4底板抽放巷及 回风斜巷位于 1 5采区的中部 ， 将穿过 F 1 0 6 1断层 ， 预计地压较大。 1 ． 3水文 地质 对施工影响的含水层 主要有 C 3 L 8 、 二 1煤顶板砂 岩含水层 S I O ， 主要通过岩层裂隙、 断层导水 ， 预计局 部涌水量为 1 5 m ／ h 。 1 ． 4瓦斯涌 出量情况 由于巷道位于煤层底板 内， 预计该 上山在掘进 中 瓦斯较小 ； 瓦斯涌出量 0 ． 4 m ／ mi n ， 地温梯度 0 ． 8 2 o C ／ 百 米 。 2矿井震波超前探测 MS P 技术原理介绍 震波超前探测 系统 Mi n e S e i s mi c P r e d i c t i o n ， 英 文简称为 MS P 。 MS P技术 主要是在反射波地震勘探原 理上发展而来的 ， 是在井 下巷道迎头 的有 限空间布置 激发点和接收点 ， 通过炮震法或锤击法激发地震波， 在 传播过程中， 当遇到波阻抗差异时， 比如断层 、 破碎带、 煤岩界面时， 一部分地震信号反射 回来 ， 一部分透射进 入前方介质。 巷道前方 界面的反射波 在井下全空间波 场条件下传播时， 在相位特征、 时距规律与巷道周边 的 地质界面存在明显差异 ， 通过现场数据采集后 ， 地 面使 用软件 MS P 2 ． 0平 台对巷道前方界面反射的地震波进 行各项数据处理， 对 比分析 ， 采用记录编解 、 预处理、 核 心处理 反射波提取 、 速度分析、 深度偏移 等方法步骤 收稿 日期 2 0 1 40 1 0 3 来得 出巷道前方地震反射偏移剖面 、 动力学参数等信 息 ， 根据数据处理结果结合地质情况来推断巷道前方 是否存在断层、 煤岩界面 、 破碎带等异常构造 ， 并可 以 判断异常区的位置。 地震波从震源点激发 出来 以后 ， 它会 以球状 向外 扩散。 地震波 以球面状 向外扩散 的时候遵循三大定律。 第一个定律是惠更斯原理 ， 在弹性介质中， 已知 t 时刻 的波前上各点 ， 都可看作从该 时刻开始振动 的新 的点 震源。 简而言之 ， 波传播经过 的每一点都可以看作新的 点震源 。 第二个定律是费马原理 ， 地震波从一点 向另一 点沿费时最少的最佳路径进行传播。 在均匀介质中， 两 点问传播时间最短 的路径是直线 ； 而对非均匀介质 ， 这 种路径可能不再是直线。 第三个定律是斯奈尔定律 反 射系数 原理 ， 上下介质存在波阻抗不同的界面时会产 生发射波。 波阻抗就是介质 的密度 P 和地震波在介质中 传播的速度 v的乘积。 震波 MS P技术在三大定律的基 础上逐渐发展起来。 3矿井震波超前探测现场布置和数据采集 本次矿井 MS P探测在 1 5 0 4底抽巷迎头有限空间 内展开 ， 采用锤击震源。 检波器 为 C 1 、 C 2 ， 现场施工时 c 1 、 C 2均布置在巷道左帮 ， 锤击点间距实际为 l m， 共锤 击 1 9 锤 ； 其 中c l 传感器距离 P 1 号锤击点2 ． 5 m， P 1 9 距 迎头 2 m， C 1 距迎头 2 2 ． 5 m。 一 兰． ． ⋯0 0 - 0 0 誊 ， 道间 距x 5 o 4 巷 一 右帮 图 1迎头震波超前探测施工布置 图 4矿井震波超前探测数据处理与解释 4 ． 1数据 处理 井下采集到的物探数据需在 MS P 2 ． 0软件平 台上 进行震波探 测数据 处理方 能转 化为可 利用 的物性 图 件 。 在经过多步软件处理 ， 下转 第 1 9 9页 1 97 点 点 燃 酤 ■■■■_● 通过对支护强度的分析和校核 ， 由此得 出滞后 回 撤拱形支架的支护强度符合规程要求， 从技术和现场 条件上具有可行性。 4超前替回与滞后 回撤的经济对 比 4 ． 1超前替 回工艺及 经济指标 溜子道出口超前支护一般情况下采用 的是超前替 回拱形支架的工艺。 就是从工作面煤壁开始使用“ 十 字”梁 、 1 ． 2 m金属铰接顶梁配合单体液压支柱进行替 回， 替 回范围为煤壁以外不小于 3 m， 不大于 1 0 m， 替 回 拱形支架后 ， 顶梁布置形式为“ 一 ” 。 下表是使用超 前替 回拱形支架 工艺所耗 费的人力和材料数量 。 最 大 控顶距按 7 ． 2 m， 超前替 回量按 1 0 m进行计算 。 表 1超 前替回使用材料 ， 人力一览表 支护材料 数量 所需人力 数量 HD J A一1 2 0 0型 替超前人力 金属铰接顶梁 8 6块 8人 及运料人力 “ 十字 ”顶梁 5 8块 出口支护工 4人 金属 网 1 4卷 DW 3 O 一3 o o ／l 0 o 型单体 液压支柱 1 7 4棵 总计 l 2人 4 ． 2滞后 回撤拱形支架工艺及经济指标 滞后 回撤 拱 形 支 架 工 艺 同样 按 照 最 大 控 顶 距 7 ． 2 m， 超前替回 1 0 m进行计算 。 滞后回撤拱形支架需要 单体柱 1 0 0棵 ， 走 向抬板 2 4块 ， 下 出口支护工 5人。 从人力上来看 应 用滞 后 回撤工艺减少 了工 序和 工力的投入 ， 减少运输量 ， 节省 了大量 的人力成本 ， 很 大程度上降低 了工人的劳动强度， 提高了安全可控度。 从材料费 支出来看 超前替 回工艺投 入 HD J A 一 1 2 0 0型金属铰接顶梁 、 十字顶梁 ， 而滞后 回撤工艺只需 要投入3 ． 6 m rr 型钢两对， 一次性投入降低， 维护量大幅 下降。 滞后回撤工艺需要 的单体液压支 柱也要 比替 回 工艺减少 7 4棵 ， 降低了液压单体柱的租赁费用。 综上所述 ， 滞后 回撤工艺省人省力、 效率高 、 一次 性投入少、 后期维护费用低 ， 各个方面优于替 回工艺。 5结语 Y 2 9 2大倾角开采工作面溜子道滞后回撤拱形支架 的成功运用实现 了技术上可行 ， 安全上可靠 ， 经济上实 用 ， 为以后大倾角综采工作面提供 了宝贵经验 ， 实现 了 煤矿生产的高产高效 。 参 考文献 [ 1 ] 宋振琪， 等． 回采工作面顶班控制设计的方法与步骤[ J ] ． 煤 炭科学技术 ， 1 9 8 9 ， 0 9 ． [ 2 ]李春平 ， 邹云辉． 唐山矿大倾角综采工作面开采关键技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 9， 0 4 ． 责任编辑 陈文明 { 上接 第 1 9 7页 包括修改头参 、 道参 、 频谱 分析 、 直达波求取 、 振幅微 调 、 反射 波提取 、 速度分 析 、 深度 偏移 、 界 面提取等步 骤 ， 得 出 P波 、 S H波 、 S V波的偏移界面 ， 再进一步结合 巷道前方的地质情况和以往 的探测经验来得 出最终结 果。 本次 MS P探测取综合速度为 2 ． 5 m ／ ms 进行偏移处 理速度。 MS P处理的核心部分包括反射波提取 、 速度分析 、 深度偏移。 反射波提取 的原理主要是 MS P系统会对巷 道前方高倾角煤岩界面反射波识 别为负视速度特征 ， 并且跟周边的地质界面 的反射波形成视 速度差 异， 利 用这一特效 ， 采用视速度滤波算法提取来 自迎头前方 的反射波 ， 同时 ， 对其他方 向界面产生 的干扰进行压 制。 速度分析主要功能是建立匀速速度模型。 深度偏移处理为 MS P处理的核心部分 ， 在给定速 度模型的条件下 ， 将来 自前方介质的反射能量偏移归 位至空间点上 。 以此成果 图件为基础提取取巷道前方 反射界面。 4 ． 2结果解释 图 2为 MS P法深度偏移剖面。 深度偏移剖面中， 不 同的颜色表达出反射波振幅的大小 ， 颜色越深 ， 比如出 现深红 、 深蓝 ， 则代表该处反射波能量越强。 结合反射 界面提取后对比分析， 在巷道迎头前方共出现四处反 射异常带 ， 分别命 名为 R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4； R 2反射界面能 量最强 ， R 3 、 R 4次之 ， R 1 界面能量最弱 ， 其中 R 1 距离迎 头位置 以本次探测为基准 1 5 m左右 ， R 2界面位于迎 头前方 4 4 m 一4 8 m左右 ， R 3界面位 于迎头前方 7 2 7 4 m左右 ， R 4界面位于迎头前方 9 4～9 9 m。 综合分析偏移剖面图和地质资料对上述异常界面 作如下推断 ①R 1处疑是迎头前方 1 5 m左右的破碎带 ； ②R 2界面疑为一条断层 ； ③R 3界面疑为 1 5 0 4底抽巷迎头前方一破碎带或 是构造发育带 ； ④R 4 界面推断为迎头前方岩体破碎， 小构造发育。 图 2 MS P深度偏移剖面 5结论与分析 1 根据实际揭露情况 ， R 1 点位 ， 距迎头 2 0 m处出 现破碎带 ； R 2 点位 ， 据迎头5 0 米处出现断层。 R 3 点后岩 性出现变化 ， 岩性变软 ， 出现裂隙发育。 2 从实际应用来看， MS P技术施工时操作简单 ， 效果 良好 ， 可以对巷道安全掘进提供很好的指导作用。 随着鹤壁矿区煤层开采深度 的增加 ， 地质条件越来越 复杂。 MS P震波技术 的应用将会对矿井安全提供有效 的技术支撑。 3 井下震波超前探测现场施工采用锤击震法时 ， 若锤击点煤 岩介质破碎松软不理想 ， 锤击接触面耦合 性不好 ， 锤击力道不 同， 都会对信号有一定影响。 4 在未来矿井物探应用 中， 震波超前探测 、 电磁 法探测等多种方法并用的综合物探方法将会成为一种 新的趋势， 以前无法解决的难题将会迎刃而解。 责任编辑 陈文明 1 9 9