矿井震波超前探测在近突出煤层岩巷掘进中的应用分析.pdf

2 0 1 3 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 1 5 期 矿 井震波超前探测在近突 出煤层 岩巷掘进 中的应用分析 王振 广 河 南煤 业 化 工集 团 永 煤 公 司城 郊 煤矿 ， 河 南 永 城4 7 6 6 0 0 摘要 煤 与瓦斯突 出矿 井在施工煤巷 前需要先施工突 出煤层顶板抽排巷 ， 利用 抽排巷 施工钻 孔对突出煤 层的 瓦斯进 行提前预抽。在施工煤层顶板抽排巷 时， 由于受断层或煤层起伏 的影响 ， 造 成巷 道与突出煤 层的距 离 忽然变小或者对接 ， 导致煤 与瓦斯突 出。主要论述 了利用矿 井震 波超前探 测对近 突出煤层岩巷 掘进前方 的 地 质构造或煤层起伏变化进行探测 的情况 ， 为掘进施工安全提供有效 的技术参数。 关键词 矿井震波超前探测 ； 煤 与瓦斯突 出； 岩巷 掘进 中 图分 类号 P 6 3 1 ． 4 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 3 1 10 0 2 50 3 App l i c a t i o n An a l y s i s o n M i ne Se i s m i c Pr e di c t i o n i n Ro c k Dr i f t s Tu nn e l i ng Cl o s e t o Out bu r s t Co a l Se a m W a n g Zh e n g u a n g C h e n g i i a o C o a l Mi n e ， Y o n g c h e n g C o a l C o m p a n y ， H e n a n C o a l C h e mi c a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， Y o n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t I n c o a l a nd g a s b u r s t i n g mi n e， r o o f g a s dr a i n a g e i n c o a l s e a m wi t h o u t b u r s t da n g e r s ho ul d b e c o n s t r u c t e d b e f o r e d r i v i n g c o a l r o a d wa y， a n d t h e g a s i n s e a m wi t h o u t b ur s t da n g e r mu s t be dr a i n e d t h r o ug h t he b o r e h o l e s i n dr a i n a g e r o a d wa y． Dur i ng t h e e x c a v a t i o n o f d r a i na ge r o a d wa y， v a r i a t i o n o f s t r a t um ma y r e d uc e t he d i s t an c e b e t we e n r o a d wa y a nd o ut b ur s t s e a m， e v e n ma k es t he m c o n t a c t e d， whi c h l e a d s t o c o a l a n d ga s b u r s t i n g． I n t hi s pa p e r ， mi ne s e i s mi c pr e di c t i o n wa s u s e d t o e x p l o r e s t r a t u m s t r uc t u r e o r t h e v a r i a t i o n o f s t r a t u m i n r o c k d r i f t s e x c a v a t i o n c l o s e t o t he c o a l s e a m wi t h o ut bu r s t d a ng e r， a n d e f f e c t i v e p a r a me t e r s c o u l d be p r o v i de d f o r t h e s a f e e x c a v a t i o n． Ke ywor ds mi ne s e i s mi c p r e d i c t i o n； c o a l a nd g a s o ut bu r s t ； r o c k d r i f t s d r i v a g e 淮 北 矿业集 团青东煤 矿 为煤 与 瓦斯突 出矿 井且 地质条件极其复杂 ， 主采的 7煤层赋存不稳定 ， 三维 地 震勘 探 提供 的 地 质 资 料 构 造 信 息 、 煤 层 赋 存 状 态 与 巷道 实 际揭露 的情 况有 一定 的误 差 ， 7煤层 顶 板抽排巷在施工 时经常揭露未知断层 ， 使巷道和煤 层 位置 法距 减小 ， 巷 道 内瓦斯 涌 出量 明显增 大 ， 容易 造 成煤 与 瓦斯 突 出 。为 防 止 出 现此 类 事 件 ， 矿 井 在 巷 道 掘 进 时 利 用 井 下 震 波 超 前 探 测 MS P ， Mi n e S e i s m i c P r e d i c t i o n 技 术 ， 基 本 查 清 了 掘 进 前 方 的 地 质 构造 或煤 层起 伏 变 化 情 况 ， 为 巷 道安 全 施 工 提 供 了保 障 ⋯ 1 工 程 概 况 青 东 煤矿 8 2采 区 2 瓦斯 抽 排 巷 道设 计 在 7煤 收稿 日期 2 0 1 3 0 70 5 作者简 介 王振广 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南兰考人 ， 助理 工程师 ， 2 0 0 7年 毕业于华北水利水 电学 院， 现从事煤矿技术及管理工作。 层 顶板 施 工 ， 距 7煤 层顶 板 法 距 2 0 m左 右 ， 施 工 区 段岩层总体为一 向北倾斜 的单斜构造 ， 煤岩层产状 为 0 。 ～ 2 5 。 ／8 。 ～ 2 2 。 。巷道 掘进 方 向上平 均倾 角为 3 。 左 右 ， 总体为 顺层 施工 。但该 区段地质 构 造发 育 ， 煤 层赋 存不 稳定 ， 施 工 中煤 岩 层产 状 可 能 会 出现 变 化 。为 了防止 出现巷 道与 突 出煤 层 的法距 忽然 变小 或者对 接 ， 在 施 工 抽 排 巷 时 ， 采 用 矿 井 震 波 超 前 探 测 ， 以查清 巷道 前方构 造 发育 和煤岩 层变化 情况 ， 为 巷 道施 工安 全提 供有 效 的技术参 数 。 2 M S P原 理 矿 井震 波超 前探 测是 应用 地震 波在传 播过 程 中 遇到不 均 匀 地 质体 存 在 波 阻 抗 差 异 时会 发 生 反 射 的原理 ， 结合巷道 的特点设计研制 的沿巷道后方 布置震 源 和传感 器来 探测 巷道 前方 地质条 件 和水文 地 质条 件 的观测 系统 。震 波是 由特定 位置 进行 小型 爆 破产 生 的 ， 爆 破点一 般 沿巷 道 左 右 帮 平 行巷 道 ． 2S ． 2 0 1 3 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 1 5 期 底 呈直线 排列 ， 这样 由人 工 制造 一 系列 有规 则 排 列 的轻微震 源 ， 形 成 地 震 断 面 。这 些 震 源 发 出 的地 震 波 在遇 到地层 层面 、 断层 面 、 特 别是 断裂破 碎界 面和 溶 洞 、 暗河 、 岩溶 陷落柱 、 淤泥 带等不 良界 面时 ， 将 产 生 反射 波 。M S P勘探 原理 如图 1 所 示 ， 图 1 a 为测 线 前方存 在 的 3层 介质速 度模 型 ， 采 用一点 接收 ， 多 个 激发点 成列 依次 激发 。图 1 b 中共有 3个 波 组 ， 自左 向右分别 为直 达 波 组 、 一二 层 波 阻抗 界 面 的反 射 波组 、 二三 层波 阻抗界 面反射 波组 。 接 a巷道MS P 观测系统模型 ．I ． y V V t D t R l t R 2 波组 h M S P 波形系统模型 图 1 MS P勘 探 原 理 示 意 o0 0Ⅱ s 6 n m MS P系统主要 由记 录单 元 、 接 收单 元 和 激发 单 元 3 部分组成 图 2 。硬件技术参数 ①记录单元。 通道 1 2道 ； A ／ D 1 8位 ； 采 样 间 隔 6 2 ． 5 ， 1 2 5 s ； 采 样 长度 最 大记 录 长度 1 4 4 6 8样 点 ； 动 态 范 围 1 0 0 d B； 平 台 Wi n d o w s 。②接 收 单 元 。分量 三分 量 ； 灵 敏度 1 5 ％ V ／ e m S ； 频 率 范 围 0 ． 5～ 5 0 0 0 H z ； 横 向灵敏度 1 ％。③激发单元。输入 电压 2 4 0～ 2 4 0 0 V； 输 出 电压 0 ． 5～ 5 ． 0 V 。 图 2 MS P的系统构成 3 矿 井震 波 超 前 探 测 的应 用 青东 煤矿 西 二 采 区 2 瓦 斯 抽 排 巷 已进 入 构 造 复 杂 区 ， 为 了进 一步 查 明巷 道 掘 进前 方 断层 构造 及 裂 隙发育 情况 ， 在 2 瓦斯 抽 排 巷 掘进 面 1 9号钻 场 前 5 3 m位 置 进行 了震 波超前 探测 。 3 ． 1现场 布置 测线 布置 在巷 道 左 帮 ， 其 中炮 孑 L 2 2个 ， 接 收传 感 器点 2个 即 C 、 C 。传感 器 及 炮 孔 顺 序 、 位 置 如 图 3所示 ， 其 中 c 传 感 器距 离 P 号 炮点 2 ． 9 m， C 点距 C ． 点 3 ． 6 m。 2 0 号钻场 P l 掘 进 回 单位 m 图 3 2 瓦斯抽排巷 1 9号钻 场前 5 3 m 位置探测测线布置 3 ． 2数 据处 理与解 释 现 场采 集 的震 波探 测数 据 在 MS P 2 ． 0软 件平 台 上 进行 处理 ， 其流 程为 数据 预处理一 频谱 分析一 直 达波求 取一 反射 波提取一 速 度分析一 深 度偏移 一界 面提取 。 利 用 F F T工 具 对 采集 的 地 震 波 形 进 行 频 率 域 分 析 ， 其 目的在 于掌 握 巷道 在 炸 药震 源 条 件 下 的地 震 波 主频分 布范 围 ， 为 后 续 的数 据 处 理作 准 备 。地 ． 2 6 ． 震 波形 的频谱 分析 如图 4所 示 ， 从 图中可 以看 出 ， 震 波主频 范 围为 1 0 0～5 0 0 Hz ， 其 中 、 z分 量 高 频 部 分 较丰 富 ， 有 利于 目标体 的分辨 。 此 次采集 地震 波形 和直达 波速度 求取 结果如 图 5所示 。采 用各记 录源 检距 和初 至 到 时可 拟合 成 直 达波初 至直 线 ， 从 图 中可得 出直 达 纵 波 速 度 为 3 ． 3 m／ m s ， 直达 横波 速度为 1 ． 8 m ／ m s ， 在此 得 到 的直 达 波速度 可作 为深度偏 移处 理 时的速度 背景 值 。 3 2 1 O u v 删 巷 徘 抽 斯 瓦 变 坡 点 ； 0 场 钻 血 卜 2 0 1 3年第 1 1 期 王振广 矿 井震 波超 前探 测在 近突 出煤层 岩 巷掘进 中 的应用分 析 总第 2 1 5期 图 4地 震信号的频谱分析 玢量波形图 z分量 波形图 0 5 l 0 l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 震波个数 图 5 现场 实采 波形及直 达波速度求取 深 度 偏移 处理 为 MS P处 理 的核 心部 分 ， 在 给定 速度模型的条件将来 自前方介质的反射能量偏移归 位 至空 间点上 ， 提 取 巷道 前 方 反 射 界 面 。M S P方法 得 到 的深 度偏 移处 理 结 果 如 图 6所 示 ， 从 中可 以看 出 ， 自掘 进面 向巷 道前 方 1 5 0 m 范 围 内有 较 为 明显 的反射相位 ， 其中 尺 、 、 为较强的反射界面。R 反 射界 面 距 当 日掘进 面 前 方 3 6～ 4 6 m 段 ； R 界 面 距 当 日掘 进 面前 方 8 7～ 9 7 m段 ； R 界 面 距 当 日掘 进 面前 方 1 3 0～1 4 0 m段 。 综合上述地震波偏移结果及现有地质资料， 推 断解释如下 ①推断在 当日掘进面前方 3 6～ 4 6 m段 存在 ． 反射界面， 可能为断层异常构造位置 ； ②推 断 在 当 日掘 进 面前 方 8 7～9 7 m 段 存 在 尺 反 射 界 面 ， 可能存在岩性相变 、 岩层较为破碎 ； ③推断在当 日前方 1 3 0～1 4 0 m 段 存 在 反 射 界 面 ， 可 能为 断 层 异 常构造 位置 。 4 效果分析 利 用钻 机在 2 抽 排 巷 2 0号 钻 场 对 震波 超前 探 测 的 。 、 R 强反 射 界 面 两侧 的煤 层 进行 探 查 ， 经 钻 探验证在 尺 、 强反射界面两侧煤层距抽排巷的距 离发 生 了明显变 化 。另外 ， 8 2采 区 7 2 6工 作 面煤 巷 在施 工时 中至 R 。 、 R 强反 射界 面位 置 附近时分 别揭 露 了 8 2 F 和 8 2 F 。 ， 断层 。从 井下钻 探 验证 和 巷道 实 际揭露 情 况可 知 ， 矿 井 震 波 超前 探 测 基 本上 查 清 了 巷道施工前方的构造发育及煤层起伏变化情况 ， 为 近突 出煤层 岩巷 安全 、 快速 掘进 提供 了技术 保 障。 ／ | | | || | I 、 、 、、 I 1 、． I l l I 变坡点 肋 ＼ ＼ i ＼ 、 ‘飓 当日 掘 进 面 l _ 瓦斯抽排巷 ＼／ l l／ | 距变坡点距离／ m 图 6 1 9号钻场前 5 3 m 掘进面震波超前探测结果 鸶 藻 5 结 语 用 ， 取得 了较大的经济和安全效益。 采 用矿 井震 波 超 前探 测 ， 查 明 了 7 2 6工 作 面 顶 板抽排巷构造复杂 区域 的构造发育和煤层 赋存情 况 ， 为巷道设计 、 施工提供了技术依据 ， 减少 了报废 巷 道和 井下 探查 钻 孔 的 工程 量 ； 同 时解 决 了近 煤 层 岩 巷施 工 期 间 误 揭 煤 层 而 造 成 煤 与 瓦 斯 突 出 的 问 题 ， 增加 了安 全 系 数 。矿 井 震 波 超前 探 测 技 术 的应 参考 文献 [ 1 ] 刘盛东 ， 张平松 ． 矿井构造与瓦斯的震 波超 前探技术应用分析 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 3 9 41 ． [ 2] 马万金 ． 复杂地质 条件下 的岩巷掘进 瓦斯综合 治理探讨 [ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 0 1 2 9 1 0 0 ． 1 0 1 ． 责任 编辑 刘 欢欢 2 7