平煤十二矿矿井震波超前探测技术（MSP）应用研究.pdf

煤炭 工程 2 0 1 0年第 2期 平煤十二矿矿井震波超前探测技术 MS P 应用研 究 吴建宇，张创业 中国平煤神马能源化工集团 平煤股份十二矿地测科，河南 平顶山4 6 7 0 0 0 摘要 矿井震波超前探测系统 M S P 是一种多波、多分量、高分辨的反射地震勘探 系统。 MS P应用地震波在传播过程 中遇到不均 匀地质体时产生反射 的原理，利用 负视速度 同相轴作为 识别来 自迎头前方界 面的反射波标志，通过分析岩层的反射波传播速度 ，来确定反射层所对应的 地质界面的空间位置和规模及其产状 ，并根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩石物理力学 参数等资料来解释和推断地质体的性质。论文主要结合 M S P技术在平煤十二矿的应用验证 MS P 系统以及本安型 K D Z 1 1 1 4 6 B 3 0巷道地质探测仪对巷道掘进安全施工起到的积极作用。 关键词 矿井震波超前探测 系统；波阻抗差异；负视速度 ；巷道地质探测仪 中图分类号P 6 3 1 ． 4 文献标识码B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 2 - O 4 6 _ 3 1 概述 平煤股份十二矿所在矿区含煤地层为石炭 ～二叠系煤 层，十二矿现主采 己组煤层 ，己组煤层属于煤与瓦斯严重 突出煤层，深部煤层开发还受冲击地压威胁，因此煤与瓦 斯突出和冲击地压 严重制 约着矿井 的安全 和生产 。为 了保 证矿井的安全生产 ，根据十二矿整体 工作 安排和长远发展 ， 计划将瓦斯巷揭露的己。 薄煤层作为己 煤层的保护层进行 开采，以便解决或降低煤与瓦斯突出和冲击地压的危险性， 确保矿井的安全生产。 己 一1 7 2 0 0机巷瓦斯巷位 于己七采 区二期 西翼最深 的 一 个掘进T作面，为解决突出和冲击地压问题，瓦斯巷计 划沿己 l 4薄煤层施工，煤厚 0～0 ． 8 m，平均 0 ． 5 m左右， 因深部钻孔资料较少，地质资料不清，且 由于己 煤层与 己。 煤层层 间距较小 6～1 5 m ，为防止施 丁过程 中遇到大 的地质构造导致误揭己， 煤层而发生煤与瓦斯突出事故，需 要查 明巷道前方断层 等地质情 况进行超 前地 质预报 ，以便 采取针对性的防治措施 。 目前的超前地质预报 的手段主要有两种 钻孔探 测 直 接法 以及地球 物理方 法 间接 法 。钻 孔探测 是巷 道地质 探测中最常用的方法，但作为巷道掘进中的超前探测手段 有许多不足的地方，其主要缺点是该方法成本高，横向探 测范围小 ，对施工有较 大 的影 响。上述缺点 限制 了钻孔探 测在巷道超前地质预报中的使用。与钻孔探测法相比，地 球物理探测技术具有探测成 本低 、探 测范 围广 可达 1 0 0 3 0 0 m 的优点 ，因此 十二矿 决定采 用一套 适合矿 井 条件 的 巷道超前预测预技术一矿井巷道震波超前探测系统 MS P M i n e S e i s m i ce d i c t i o n ，对己． 一1 7 2 0 0机巷 瓦斯巷迎头进 行超前探测 。 2 MS P系统简介 M S P系统 以本安型 K D Z 1 1 1 4 6 B 3 0巷道地质探测仪为 中心，仪器采用先进电子技术与嵌人式操作系统，保证了 地震数据的高质量获取，同时配备有专业 的 Ms P 2 ． 0数据 处理平台，该软件提供了丰富的的地震数据管理、显示与 核心处理功能。M S P系统的推广与应用将为矿井巷道掘进 施工安全提供技术保障。 2 ． 1 矿 井震波超 前探 测技 术 M S P 原理 矿井震波超前探测 MS P 属多波多分量高分辨率地震 反射波探测技术，与常规反射波探测技术不同之处，该技 术是专门为巷道掘进施 工地质 超前探测 而设计 。该技 术是 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 见图 1 ，结 合巷道的特点 ，设计 研制的沿巷道后方 布置震源 和三分量 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 是沿巷道左 右 帮平 行成直线排列 ，这样 由人工制造一系列有规 t t f N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 、节理面 、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。图 2为 MS P模型及合成记录示 意图 ，其 中 a 为测线前方存在的三 层介质速度模 型 ，采用一 点接收 ，多个 激发点 成排列依 次 收稿 日期 2 0 0 91 1 0 3 作者简介 吴建宇 1 9 7 5一 ，男 ，安徽庐江人 ，工程师 ，1 9 9 8 年毕业于辽宁T程技术大学 原阜新矿业学院 ，现 主要 从事矿井地质、水文地质、瓦斯地质的技术管理工作。 2 0 1 0年第 2期 煤炭工程 激发。 b 图中共 有三个 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。 图 1 MS P系统工作原理 图 2 ． 2 MS P观测 系统 MS P系统主要 由记录、接收和激发三个单元组成，采 用的是多次覆盖观测系统，数据采集时选用三分量传感器， 将多个三分量传感器布置在不同位置，尽可能多地获得地 震数据 。在井下则是利 用矿 井巷道 狭长 且空 间有限 的特点 MS P将激发点和接受点均布置于巷道侧帮 或迎头 ，采用 发 “ 一炮双收”接收地震波，多个炮点顺序激发的方式主 要有后置观测系统和前置观测系统。 1 后置观测系统。传感器布置于巷道后方侧帮上，高 度为腰线位置；如使用两个传感器则对称布置于左右侧帮 上 。 在 巷 道迎 头 和传 感器 点 之 间布 置炮 点 ， 炮孔 同样 布 置 R1 R2 a 巷道MS P 观测系统模型 g 笪 0 旅行时 ， m s b MS P 波形及界面反射波组特征 图 2 MS P 负视速度 勘探原理示意 图 侧帮巷道腰线上。炮数1 8～2 4炮，偏移距 1 5～2 0 m，炮 间距 1 ． 5～ 2 ． 0 m。炮点一般置于左帮，如遇左帮无法布置 如有硐室，有设备等情况 可布置于右帮，但必须保证至 少有一个传感器和炮点在同一侧帮上。 2 前置观测系统。前置观测系统布置方式和后置类 似，最大不同之处是将 2号传感器置于迎头掌子面附近。 3 1 7 2 0 0机巷瓦斯巷迎头超前探测数据采集 本次矿井震波超前探测 MS P 在 1 7 2 0 0机巷瓦斯巷迎 头有限空间内展开，采用炸药震源，测线布置在右帮和迎 头断面上，其炮孔 3 0个 左帮 2 4炮 ，右帮 6炮 ，M S P方 法三分量传感器点 2个c 1 、c 2 。传感器及炮孑 顷序和方 位见图 3 ，炮点 l～2 4布置在左帮，2 5～3 0布置在右帮， 设计炮间距 1 ． 5 m；C 1 位于左帮，c 2位于右帮。其中c 1 传 感器距离 P 1号炮点 1 5 ． 0 m，C 2在右帮和 c 1 位置对应。标 志点 W9距离迎头 8 1 ． 2 0 m，且 W9点距离 c 1 接收点 2 0 m。 4 矿井震波超前探测 MS P 数据处理与解释 4 ． 1 数据 处理 矿井震波超前探测 MS P 数据处理是在专业的 Ms P 2 ． 0 数据处理平台上进行的，该解析软件提供了丰富的的地震 数据管理、显示与核心处理功能，将现场采集到的物探数 据经过处理方能转化为可利用的物性图件。其处理流程为 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。根据速度谱 同时结合现场岩 性情 况 ，进一 步根 据以往探测 的验证结 果 ，本次 MS P探测 取综合速度为 3 ． 5 m ／ m s 进行偏移处理速度。 图 3 1 7 2 0 0机巷瓦斯 巷迎 头超 前探 测 MS P 测线 布置图 4 ． 2结果解释 深度偏移处理为 M S 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 ， 以此为基础提取巷道前方反射界面。直达波速度本次取值 为 3 ． 5～ 4 ． 2 m ／ m s 。本 次探 测由于采用炸药震 源 ，探测距 离 较远 ，整体探测距离达到2 8 0 m，其中已揭露区 6 2 ． 0 m，未 47 煤炭 工程 2 0 1 0年第 2期 揭露区 2 1 8 m。下面附有本次探测处理的结果图，图 4为 MS P方法所得到的巷道前方地震反射波深度偏移成像结果， 深度偏移剖面反映了巷道前方 弹性差异 界面在 空间 的位 置 关系 。可以看 出，在剖面上 自 5 6点起向巷道 前方 2 8 0 m范 围内存在明显反射相位。其 中较强的反射界面有 2组。第 一 组异常界面距迎头较近，距 W9点 9 6～l 0 o m段；另 1 6 8 m、2 0 0 m、2 8 0 m组界面较远，位于 1 5 2 ． 0～1 7 5 ． 0 m段， 在三组主要反射界面间 ． 还发育一些小的反射相位界面。 图5为 MS P法深度偏移与界面提取剖面。从剖面中可 以看出，在巷道前方共存在两处明显反射异常带，分别命 名为 R 1 6和 R 1 7 ，其中 R 1 6 距离 W9点9 6～1 0 o m ，该异常 界 面在第 1 O次探测 中 同样 得到 反 映；R1 7界 面位于 2 0 0 m 处。综合上述分析和现有地质资料对上述异常段作如下推 断解释 ①推断在 R 1 6 异 常界 面处 即距 W9点 9 61 0 HD m段 存在裂隙带或断层构造；②结合地质资料将 R 1 7异常界面 处推断为一强反射界面，疑为断层存在，断层带距离迎头 1 4 0 ． 0 m；③w5 6点前 1 1 0 m、1 6 8 m这两处疑为破碎带或者 裂隙较发育。 图 4 深度偏移成像 图 3 0 ． O O 2 0 ． O O 1 O 0 0 0 ． O O 一1 O O 0 ．2 0 O O 一 3 0 ． O O ＼ l l ／ I I J 0 ． O 0 5 O ． 0 O 1 0 O ． O O 1 5 O ． O 0 2 0 0 ． O 0 25 0 ．O O 3 0 0 ． 0 O 图 5 深度偏移和反射异常界面提 取图 表 1 1 7 2 0 0机巷瓦斯巷 MS P超前探测界面 与解释 一览表 5 结果验证与评价 1 根据实际巷道揭露情况，W9点 9 3 m处为一落差 1 ． 8 m的断层 ，1 0 8 m和 2 7 5 m处为顶板岩性变化 ，由砂质 泥 岩变为灰白色细砂岩，同时煤层变薄。1 7 0 m处倾角变化异 常 ，由2 。 上 山变成 一 7 。 下山 ，2 O HD m处为顶板破碎 。揭露情 况和解释结果基本相同。 2 从实际应用表 明 MS P技术 对 巷道安全 掘进起 到很 4 8 好的指导作用，可以有效地指导巷道施工。 3 由于 MS P技术直接对巷道前方 目标体进行了探测， 地震子波的频率高，提升了对小构造分辨率的能力，可作 为地 面地震勘探的有益 补充 。 参考 文献 [ 1 ] 刘盛东 ，郭立全 ，张平松．巷道前方地 质构造 M S P法超前 探测技术与应 用研 究 [ J ] ．工 程物 理学 报 进展 ，2 0 0 6，6 3 4 2 8 4 4 2 ． [ 2 ] 赵永贵 ，刘浩 ，孙 宇 ，等． 隧道 地质 超前 预 报研 究进 展 [ J ] ．地球物理学进展 ，2 o 0 3，1 8 3 4 6 0～4 6 4 ． [ 3 ] 宁书年 ，李育芳 ，史付生．巷道超前探测的理论探讨与应用 尝试[ J ] ．地下水 ，2 0 0 2 ，2 4 1 4 3～ 4 4 ． 责任编辑章新敏