巷道构造震波超前探测技术及其应用.pdf

第36卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 Vol136 No111 2008年11月COAL SCIENCE AND TECHNOLOGYNov . 2008 巷 道 构 造 震 波 超 前 探 测 技 术 及 其 应 用 郭立全,刘盛东 安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001 摘 要矿井震波超前探测Mine Seismic Prediction, MSP技术基于反射地震勘探原理,采用巷 道多次覆盖观测系统采集地震数据,综合运用了波场矢量合成与分解、横向偏移叠加等处理技术。 在实践应用中表明MSP技术是一项可以有效地对掘进巷道前方150 m范围内断层等地质异常进行 长距离超前探测的实用技术。 关键词 MSP技术;观测系统;反射偏移;地质构造;超前探测 中图分类号P63114 文献标志码 A 文章编号0253 - 23362008 11 - 0099 - 03 M i ne seis m ic prediction technology and application to m i ne roadway tecton ic G UO Li2 quan, LIU Sheng2 dong School of Earth and Environment, AnhuiU niversity of Science and Technology, Huainan 232001, China Ab stract The mine seis m ic p rediction technologywas based on the princip le of the reflected seis m ic exp loration to collect the seis mic da2 ta with themine roadway multicovered observation and measurement system, to apply the composition and resolution of the wave site vec2 tors comp rehensively and to app ly the lateral offset overlying technology and other processing technologies.The p ractical application showed that theMSP technology wasa practical effective technology of a long distancemine seismic p rediction in faultand other geological abnor mal area within 150 m bef ore them ine roadway heading. Key words MSP technology; observation and measurement system; reflection deviation; geological tectonics; p ilot probing 巷道在掘进过程中所遇到的断层、陷落柱、煤 岩体结构破碎带等不良矿井地质条件时,这些地质 异常直接影响掘进施工,同时还可能导致着矿井 水、瓦斯等灾害的发生,给矿井安全生产带来极大 的威胁 [ 1 ] 。巷道前方构造及异常探测由于巷道内 可供观测利用空间位置有限,其探测精度受到井下 全空间效应影响,其施工和数据解析难度较大,探 测结果很难满足各种工程生产技术发展的要求,矿 井震波超前探测技术,基于大倾角界面的波场动力 学规律,采用了巷道多次覆盖观测系统进行数据采 集,数据处理过程中综合运用了 τ-p变换、波场 矢量与合成、横向偏移叠加等多种地震数据处理算 法,是一种多波多分量全空间地震勘探技术。 1 MSP技术原理 111 巷道前方高倾角界面负视速度时距特征 [2 - 3 ] 由于巷道等地下工程的空间局限性,地震探测 工作在巷道掘进面附近有限区域展开,与地面反射 地震勘探基于水平或低倾角反射界面不同,巷道前 方的反射界面与地震测线呈垂直或高倾角空间关 系,因此表现出独特的负视速度时距特征。以二层 速度模型为例,直达波、反射波时距方程分别为 t1 OS/V1 x/V1 1 t2 O′S V1 x 2 4h1h1- xsin 2θ V1 2 式中 t1 直达波时距方程; t2 反射波时距方程; x 激发点距离接收点O的距离; h1 前方界面出露点距离O点的距离; V1 第一层介质速度; θ 界面倾角。 由图1时距曲线可得,当以L为接收点O距 掘进工作面距离,在有限的x区间[0,L]内, ① 大倾角界面的反射波段图1中的实线部分 仅为整个反射曲线的一部分;② 该反射段位于反射 曲线极小值点左侧,因此其斜率为负值,即表现出 负视速度;③ 直达波和反射波的交点横坐标恰好等 于界面出露点位置;④ 倾角越大,反射段的斜率越 大;⑤ 当倾角为即前方界面为直立界面时,反 90 99 2008年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 a 反射波;b 直达波;c 反射面;O 接收点;S 激发点 图1 巷道前方界面时距曲线 射曲线为直线,反射波曲线段斜率和直达波斜率大 小相等,符号相反。 112 MSP技术中的巷道多次覆盖观测系统 为了尽可能多地获取地震数据, MSP技术数 据采集时选用三分量传感器,多个三分量传感器布 置在不同位置,在巷道中形成全方位、多次覆盖观 测系统。地面地震将界面抽象成光滑水平界面,每 个共反射点道集代表了某一共深度点多次反射,射 线路径遵循镜面反射定理。MSP技术中将反射界 面看成不再光滑而是由一系列离散绕射点所组成, 因此该界面能够反射来自任一方向的下行波并且上 行波总能被任何位置的传感器所接收。在巷道掘进 面和后方同时布置多个传感器接收,巷道一帮或两 帮激发信号。图2中前后置多次覆盖观测系统是将 4只三分量传感器分别布置在巷道两帮和掘进工作 面,前后置传感器之间布置炮点。由于炮点和接收 点位于全空间介质中,任一炮点所激发的地震波能 够被界面上的绕射点反射并为各个传感器所接收。 a1,a2 后置传感器;b1,b2 前置传感器;C 空间绕射点 图2 多次覆盖观测系统示意 2 MSP技术系统组成及现场探测 211 MSP系统组成 MS系统主要由采集系统和处理系统部分组 成。为了适应煤矿施工环境,采集系统主机选用了 最新研制的K DZ1114 - 6B30型矿井本安地震仪, 该仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统,保证 了地震数据的高保真获取及智能管理,系统特点与 技术指标如下 采集通道 通 道 数采样通道数为6个,1～6道任选 采样速度单道最快采样速度为16μs A /D每个通道独立A /D转换,24位 采样间隔16～32 000μs16μs增量可选 人机接口 操作系统嵌入Linux 操作界面全中文界面 显 示800600, 256色真彩 接 口1个标准USB接口 键 盘专用键盘、通用键盘 传感器参数 分量数量3个 笛卡尔坐标系 类 型动圈式速度、压电加速度任选 耦合方式孔中贴壁式机械 适合孔径42和60 mm前者为加速度,后者为速度传感器 响应主率加速度为0～5 000 Hz,速度传感器100 Hz 处理系统采用了矿井震波超前探测处理系统 MSP210,该处理系统集合了多年的地震处理软 件编制经验和巷道/隧道探测工程实践开发完成的 智能化解析软件。适用于矿井巷道、隧道、地铁等 地下工程的超前探测处理、解释及地质构造预报。 软件系统功能主要有工程管理、记录解编、数据预 处理、核心处理、界面提取以及结果显示等6大主 模块和20多个功能独立的子模块构成。系统本身 采用流程化组织方式,操作便捷,用户交互性强, 支持人机连作解释等功能。 212 MSP技术现场探测 MSP系统是针对矿井掘进巷道探测而设计, 现场探测技术充分考虑和利用了掘进工作面狭长的 特点。现场工作主要包括观测系统布置、激发和接 收3部分,如图3所示。 21211 观测系统布置 观测系统首先确定相对坐标原点和角度坐标。 原点可设置在巷道中任意位置,但通常做法有2 种,一种是将原点设置在掘进面断面上中心上,另 一种可设计在距离巷道断面一定的距离的后方中心 轴线上。三轴指向分别为X轴水平指向巷道前 方,Y轴竖直指向顶板,Z轴水平指向巷道左帮。 现场工作时注意测量巷道标志点和该观测系统的相 对原点的距离。该系统中的水平方位角自X轴正 P2 001 郭立全等巷道构造震波超前探测技术及其应用2008年第11期 图3 MSP技术探测系统现场布置 向起,在水平面XZ面内逆时针旋转为正向, 角度范围0～360 。确定倾角的原则为以Z轴正向 为起点,在竖直平面 YZ面内逆时针为正,角 度范围为- 90～90 。 炮点一般设计在巷道左帮,炮点测线尽量避开 硐室,叉巷等影响地震波传播的空腔障碍物。炮点 自掘进面开始布置,炮的数量20～24个,炮间距 115～2 m,炮孔深115 m,如果测区内松动圈范围 较大,可适当加深炮孔;当炮孔不水平时,测量其 倾角和方位角。为了提高信号的质量,接收点应尽 量布置在完整性较好岩煤体中,尽量避开后 方已揭露断层等较松散的地方。接收点分别布置在 巷道左帮、右帮和掘进面断面上,接收点的位置没 有严格的要求,但要注意测量其与上述对点之间的 关系,做好记录。孔深115 m,偏移距10～15 m。 21212 激发与接收工作 激发以炸药震源最佳,在不能放炮时可用重锤 代替。炸药可选用矿用乳胶炸药,以一段雷管引 爆,在没有一段雷管时,可其他段代替,但一定要 选用同一段,以保证触发延迟时间的一致。起爆时 一炮一放,顺次激发。 安装时传感器时,以专用的导向杆向传感器推 入孔底。向气囊加压驱动机械贴壁片使其和围岩耦 合成一体。安装完成后测量传感器3个分量的方位 角和倾角。 21213 施工环境要求 采用MSP技术施工时要尽量降低现场噪声水 平,停止机械震动或较大噪音的工作如掘进机、带 式输送机,减少人员走动等。减少杂物堆放,以便 于现场人员进行数据采集。 3 MSP技术超前探测技术应用效果分析 大统矿业集团天安矿业公司矿区内构造 比较复杂、断层较多,为了确保- 870 m运输石门 巷道前方的掘进顺利,该巷道前方前方断层、破碎 带等地质构造的分布及延展情况,采用了MSP技 术对前方DF39断层具体位置的探测,测线长度为 39 m。在MSP210系统下得到巷道前方150 m范围 的深度偏移剖面及结果解释图4。 R1～R8 探测结果解释面编号 图4 - 870 m运输石门MSP技术超前探测结果 由MSP技术巷道超前探测结果可得 1- 870 m运输石门超前探测偏移剖面存在8 组反射界面,距离YS10点分别为4510,6316, 7812, 9516, 12514, 14316, 16316, 19316 m。 2结合地质信息推断前方影响巷道安全掘进 异常界面主要有4处,分别为R37812 m,R6 14316 m ,R716316 m ,R819316 m ,上述 异常 界面 均 发 育 有 断 层构 造。DF39位 于R3 7812m处。 经实际掘进验证,R3DF39断层,R6,R7 界面得到很好的预测预报。 下转第页 108 101 2008年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 细粒镶嵌结构也存在明显差异,枣庄A矿的细粒 镶嵌结构明显,但枣庄B矿的成焦细粒镶嵌结构 处于极细状态,即处于各向同性结构向细粒镶嵌结 构转变的过度状态,且其成焦以大量的各向同性结 构、丝质和破片状结构,表现气煤的特征。 4 结 论 1根据此公司1 /3焦煤煤质差异试验研究可 知,仅依靠工业指标分析区别煤质是不够的,还要 根据煤岩指标,胶质层指数体积曲线和焦块特征比 较,以及单种煤成焦结构等比较结果进行煤质分 析。 2该公司所用各地区1 /3焦煤煤质差异较 大,河南平顶山地区1 /3焦煤挥发分低、黏结指数 和胶质层最大厚度较高,变质程度接近焦煤,单种 煤成焦粗粒镶嵌结构含量较高。安徽淮南地区1 /3 焦煤煤质接近肥煤。四川地区1 /3焦煤虽然挥发分 低变质程度高,但单种煤成焦惰性结构含量高。山 东枣庄A矿、河北小康庄以及山西洪洞等地1 /3 焦煤挥发分高,黏结指数、胶质层最大厚度及焦块 最终收缩度也高,变质程度偏低,成焦以细粒镶嵌 结构为主。山东枣庄B矿1 /3焦煤挥发分也高,但 其黏结指数和胶质层最大厚度低,变质程度也低, 单种煤成焦以大量的各向同性结构、丝质和破片状 结构,表现为气煤的特征。 3根据该公司所用各地各矿点1 /3焦煤煤质 差异,在配煤炼焦中应进行细分配用河南平顶 山、安徽淮南矿区1 /3焦煤划为一类,在配煤中配 用量可以较高;枣庄A矿、河北小康庄和山西洪 洞等高挥发分、高黏结指数、高胶质层最大厚度和 高收缩度1 /3焦煤划为一类,此类煤因挥发分高、 收缩度大成焦易产生裂纹,在配煤中应适当控制; 对于四川地区1 /3焦煤煤质与前2类不同,配用量 也不同;而对于山东枣庄B矿1 /3焦煤,其煤质偏 气煤性质,在配煤中若按1 /3焦煤配用,则对配煤 质量产生重大影响,将其按气煤配用更为合理。 参考文献 [ 1] 马庆元 1中国炼焦煤资源分布特征[ J ].煤炭科学技术, 20043. 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