基于槽波透射法的极不稳定煤层薄煤区精细探测技术_张东营.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 基于槽波透射法的极不稳定煤层薄煤区 精细探测技术 张东营 １， 杨 培 １， 王圣龙２ （１．义马煤业集团股份有限公司， 河南 义马 ４７２３００； ２．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 ４０００３９） 摘要采煤工作面内薄煤区的精细探测对于煤矿安全高效回采及巷道改造具有重要意义； 首 先， 分析基于槽波透射法的极不稳定煤层薄煤区精细探测方法原理， 给出了具体数据采集和数 据处理流程； 然后， 建立了含不同煤层厚度的典型三层地质模型， 基于频散方程进行了理论计 算。结果表明 煤层厚度越大， 槽波主频向低频方向移动， 槽波主频－煤厚－波速的对应关系可以 作为槽波透射法探测薄煤区的理论依据。 关键词透射法； 槽波； 煤层厚度； 非均匀间隔； 频散方程 中图分类号ＴＤ１６３＋．１文献标志码B文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５-0102-05 Fine Detection Technology of Thin Coal Area in Extremely Unstable Coal Seam Based on In-seam Wave Transmission ZHANG Dongying1, YANG Pei1, WANG Shenglong2 （1.Yima Coal Mining Group Corporation Limited, Yima 472300, China;2.China Coal Technology and Engineering Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China） Abstract Fine detection of thin coal area in coal face is of great significance for safe and efficient mining and roadway reconstruction. Firstly, the principle of fine detection of thin coal area in extremely unstable coal seam based on in-seam wave transmission is analyzed. Then, a typical three -layer geological model with different coal seam thickness is established, and the theoretical calculation is carried out based on the dispersion equation. The results show that the main frequency of in-seam wave will move to the low frequency with the increase of coal seam thickness; the correspondence between in-seam wave frequency and coal thickness and wave velocity can be used as the theoretical basis for in-seam wave transmission to detect thin coal regions. Key words transmission ; in-seam wave earthquake; seam thickness; non-uni interval; dispersion equation 在煤矿生产过程中，煤层厚度变化会严重影响 煤矿采掘部署、 生产计划， 造成掘进煤层厚度缺失、 变薄等变化时，会造成局部不可采的面积损失， 采 煤含矸率增高，煤质下降，因此对煤层厚度的变化 规律进行准确的探测预判，将极大地提高煤矿的回 采工作效率，煤层厚度的精确探测是影响煤矿的安 全开采的重要因素之一，对于煤矿的采掘工作至关 重要。为了更好地服务于安全生产，须准确提供煤 厚差异信息，针对煤厚探测现有的主要物探方法有 无线电波透视法、 地震法、 雷达探测法， 但矿井雷达 属于高频电磁波，探测距离有限，无法满足探测需 求[1]。无线电透视技术探测距离远， 虽然可以大致圈 出煤厚变化区域，但是由于电磁波的反射和折射， 薄煤区的探测范围精度不到 50， 难以圈定具体的 薄煤区范围， 难以满足回采工作的实际需求。 Evison 于 1955 年在新西兰首次于煤层中激发 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.020 张东营， 杨培， 王圣龙．基于槽波透射法的极不稳定煤层薄煤区精细探测技术 ［Ｊ］ ．煤矿安 全， ２０２０， ５１ （５） 102-106. ZHANG Dongying, YANG Pei, WANG Shenglong. Fine Detection Technology of Thin Coal Area in Ex－ tremely Unstable Coal Seam Based on In-seam Wave Transmission ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 102-106. 基金项目“十三五” 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045004 - 007） 移动扫码阅读 102 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 和记录到了槽波[2-4]。煤炭科学研究总院西安分院引 进了 SEAMEX 85 地震槽波仪及专用软件 ISS[5]， 在全 国各大矿区广泛开展试验与方法研究， 在陷落柱、 断 层、 采空区等地质构造方面取得了一些有价值的科研 成果[6]。义马煤业集团于 2009 年从德国 DMT 公司首 家引进了当时世界上最为先进的 SUMMIT-ⅡEX 槽 波地震仪，并将其应用到义马煤业集团下属矿井， 取得了一定的探测成果[7-9]。但是国内煤矿井下地质 条件复杂，施工技术难度大，难以取得对煤矿地质 构造体的高精度探测和定量解释。义马煤业有限公 司根据该矿区特殊的极不稳定煤层，设计出一套针 对极不稳定煤层具体施工、数据处理及成果解释的 方法[10-15]， 提出了利用槽波透射法探测煤层厚度的 精细探测技术，经反复验证，取得了非常好的探测 效果，为极不稳定煤层薄煤区的精确圈定提供了解 决办法。 1基本原理 1.1Love槽波基本原理 煤层相对于岩层具有密度小，地震波传播速度 低的特点，煤层与顶底板岩层之前形成一个较强的 波阻抗分界面，地震波在煤层中激发并传播，除部 分向三维空间辐射外，其余能量在煤岩界面多次全 反射被禁锢在煤层之中，在煤槽中相互叠加、相互 干涉， 形成槽波。煤层稳定性、 煤层结构、 地质构造 决定了槽波形成的质量。槽波具有频散现象，频散 特征中含有大量的煤层和煤岩分界面的构造、速度 和频率等相关信息。稳定煤层或者较稳定煤层槽波 能量强，频散效应明显，不稳定煤层或者极不稳定 煤层， 槽波主频向高频或者低频移动， 能量较弱， 槽 波信息难以提取识别。当煤层结构含有较多夹矸或 者含有地质构造，会破坏煤层的连续性，槽波能量 迅速衰减，导致频散曲线不连续，接收不到稳定的 槽波信号。 1.2数据采集及处理 槽波透射法数据采集模式是在工作面的运输巷 道和回风巷道分别布置检波点和炮点，利用炮点激 发地震波，另外 1 条巷道通过检波点接收地震波， 如果测区的地质条件简单，煤层赋存稳定，采用较 大的道间距。如果测区的地质条件复杂，煤层赋存 不稳定或极不稳定，则采用较小的道间距。增加采 集数据的覆盖密度，提高探测精度，槽波透射法观 测系统如图 1。 现在井下槽波常用的数据处理软件有美国SPW， 德国的 ISS 等。以美国的 SPW 为例， 利用透射槽波 的速度、能量及频率等参数来反映煤层中的断层、 陷落柱、采空区和煤层厚度及其变化等地质信息。 通过 SPW 软件对槽波速度参数的提取，结合使用 TomCat、 Surfer 等软件完成对槽波速度的层析成像。 1.3频散分析 Love 型槽波在煤岩模型中的传播的频散方程 如下 ωd cL c 2 L/v 2 2-1姨 arctan μ1 μ2 1-c 2 L/v 2 1姨 c 2 L/v 2 2-1姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 nπ （1 ） 式中 υ1、 υ２为顶底板、 煤层的 S 波速度， m/s； μ1、 μ２ 为顶底板、 煤层的剪切模量， MPa； ω 为角频率， rad/s； cL为 Love 型槽波的相速度； n 为振型阶数； d 为煤层 厚度的一半， m。 设置 3 层模型顶板为细砂岩， 底板为砂质泥岩， 煤层为无烟煤。选择理论状态测试出的岩层及煤层 的密度及 S 波速度。分别选取煤厚为 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0 m 的煤层， 对称 3 层模型地层参数见表 1。 对该地层参数数据解析计算出 3 层模型中不同 煤厚对应的基阶振型槽波频散曲线， Love 槽波频散 曲线与煤层厚度的关系如图 2。 地层 厚度 /m 密度 / （kg m-3） S 波速度 / （m s-1） 顶板∞2.552 300 煤层1.0/1.5/2.0/2.5/3.01.50850 底板∞2.602 200 图1工作面槽波勘探观测系统 Fig.1Slot wave observation and observation system in working face 表1对称3层模型地层参数 Table 1Stratigraphic parameters of the symmetrical three-story model 103 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图2Love槽波频散曲线与煤层厚度的关系 Fig.2Relationship between the dispersion curves of Love groove wave and coal seam thickness 研究表明煤层厚度的变化会引起槽波频散特 征的变化，煤层厚度越大，槽波主频向低频方向移 动，在同一频率下槽波波速较低。在选定同一频率 时，煤层厚度和波速呈负相关关系。该模型中选定 槽波频率为 185 Hz， 1.5 m 煤厚的槽波波速为 1 350 m/s， 频散曲线斜率最大， 可以非常直观的与 1、 2 m 煤厚区分开， 因此波速 （1 350 m/s） 作为 1.5 m 煤厚 在 185 Hz 频率下对应的特征波速。 通过对特征波速值圈定的等值线区域实现对应 的煤层厚度的定量探测。槽波主频-煤厚-波速的对 应关系作为槽波透射法探测薄煤区的理论依据。 2工程实例 2.1地质概况 义马煤业铁生沟煤矿位于偃龙煤田东端，地处 河南省巩义市境内。矿区地质条件复杂，煤层倾角 大， 赋存条件差， 煤层赋存不稳定至极不稳定， 煤厚 变化大导致生产极为低效，严重制约煤矿的正常生 产。槽波地震探测的测区位于铁生沟煤矿 12090 工 作面， 工作面走向长度为 460 m， 倾向长度为 150 m。 工作面顶板为细砂岩层，底板为砂质泥岩层，煤层 成粉状，局部含夹矸，根据工作面掘进过程中收集 到的煤层揭露资料， 煤层厚度最小低至 0.2 m， 最大 处达到 7.8 m，平均煤厚 2.2 m，变异系数达到了 73， 赋存极不稳定。 该工作面煤层厚度小于 1.5 m 的薄煤区是影响 工作面回采效率的主要影响因素，前期由于工作面 煤厚分布情况不明，导致先期回采部分多次盲目改 造，因此需要探查清楚薄煤区分布情况。为摸清工 作面薄煤区的分布情况，采用槽波透射法对工作面 内部进行覆盖探测。 2.2槽波透射法观测系统 为查明铁生沟煤矿 12090 工作面煤层厚度变化 情况， 圈定 1.5 m 厚薄煤区具体分布范围， 采用德国 产 SUMMIT II Ex 型槽波地震仪对 12090 采煤工作 面采用透射法进行槽波地震勘探，炮孔安装在工作 面回风巷；检波器孔安装在工作面运输巷，工作面 地质条件复杂，煤层赋存条件较差，为保证探测精 度， 采用非均匀间距布置炮点及检波器点， 针对探测 目标区域布置密度较大。为避免破碎的顶底板对震 源产生干扰， 特设计炮孔深度为 6 m， 使震源在实煤 体内激发。槽波勘探参数见表 2。 2.3层析成像 12090 工作面槽波勘探实验检波点 G2、 G3、 G7、 G10、 G12 因煤层过薄或位于巷道顶部，未能安装； G24、 G29 因检波器孔塌孔也未能安装， 从原始数据 来看， 本次勘探采集的地震数据槽波信号微弱、 埃里 相缺失， 质量整体较差， S23 炮点槽波记录如图 3。 经处理之后部分数据仍可辨识到低频的频散曲 线， S23-G19 槽波频散曲线如图 4。 根据单煤层条件下 Love 型槽波频散曲线与煤 厚变化关系， 1.5 m 煤厚槽波特征波速为 1 350 m/s， 拾取频率为 185 Hz，在测区范围内圈出的 1 350 m/s 特征波速等值线区共 3 处， 12090 工作面槽波速度 分布图如图 5。 项目位置数量间距/m孔深/m 接收点 （G ）运输巷1～1286 接收点 （G ）运输巷13～37158 激发点 （S ）回风巷1～1382 激发点 （S ）回风巷14～41132 表2槽波勘探参数 Table 2Slot wave exploration parameters 图3S23炮点槽波记录 Fig.3S23 shot of groove wave record 104 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图4S23-G19槽波频散曲线 Fig.4S23-G19 slot wave dispersion curve 2.4验证 根据槽波速度与煤厚的对应关系， 将槽波波速 v1 350 m/s 作为 1.5 m 煤厚等值线， 在测区范围内 共圈出煤厚小于 1.5 m 的薄煤区 3 处， 12090 工作面 槽波预测煤厚与实际揭露对照如图 6。 1） E1 薄煤区位于回风巷切眼口向内 176 m 和 切眼回风巷口向下 86 m 范围， 对正常回采存在影响。 2） E2 薄煤区在运输巷切眼口向外 136～175 m 范围， 其向工作面内部延伸约 70 m， 对正常回采存 在影响。 3） E3 薄煤区在运输巷切眼口向外 205～245 m 范围， 位于工作面内部， 呈封闭环状在掘进过程中一 直未揭露， 对回采影响很大。 经工作面已回采范围的煤厚资料与槽波透射法 勘探资料验证， 在工作面开始回采前， 该矿根据槽波 勘探成果提前对 E2 薄煤区进行了改造。从改造巷 揭露煤厚资料看， E2 薄煤区实际位置与范围与槽波 预测成果基本一致； 2017 年 10 月工作面回采完毕， 统计回采过程实际揭露的煤厚资料并将其与槽波预 测煤厚进行对比， 150 个实测煤厚点 123 个符合槽 波勘探预测， 预测准确率达 82。 在义马煤业下属新安煤矿、云顶煤矿等工作面 应用此技术进行槽波透射法探测工作面煤厚，针对 其他煤层厚度， 也取得了 80以上的探测范围的准 确度。 3结论 1） 通过槽波透射法在义马矿区极不稳定煤层探 测薄煤区实验， 较为准确地圈出 1.5 m 煤厚的范围， 槽波探测准确率达到 80。说明槽波透射法可以准 确地探测极不稳定煤层薄煤区的数量及分布范围。 2针对不稳定煤层或极不稳定煤层， 槽波透射 法观测系统布置采用非均匀间距布置，对探测目标 时尽可能地以较小的间距布置炮点和检波点和尽可 能多的地震道数， 提高射线覆盖密度， 以便多次叠加 提高信噪比。 参考文献 ［１］ 刘天放， 潘东明， 李德春， 等．槽波地震勘探 ［Ｍ］ ．徐州 中国矿业大学出版社， １９９４ ８－９． ［２］ 乐勇， 王伟， 申青春， 等．槽波地震勘探技术在工作面 小构造探测中的应用 ［Ｊ］ ．煤田地质与勘探， ２０１３， ４１ 图612090工作面槽波预测煤厚与实际揭露对照 Fig.6Comparison of predicted coal thickness and actual exposure of groove wave at 12090 working face 图512090工作面槽波速度分布图 Fig.5Slot wave velocity distribution of 12090 working face 105 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 （４） ７５－７６． ［３］ 任朦朦．槽波地震勘探技术在矿井中的应用分析 ［Ｊ］ ． 能源与节能， 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