槽波地震探测技术在金家渠煤矿首采工作面断层探查中的应用_张强.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract In order to analyze and uate scientifically the effect of potential disaster-inducing geological factors in a working face and to guide effectively underground coal mining, the first working face 110301 in Jinjiaqu coal mine of Shenhua Ningxia Coal Group was taken as study object, underground channel wave seismic reflection and seismic transmission were used to detect the concealed structures inside the working face 110301. An underground channel wave seismic observation system was designed in combination of the actual situation of the working face. Through acquisition of channel wave seismic data, the tomographytechnology of transmitted channel wave energy and reflected channel wave was used to analyze and process the channel wave data, finally the concealed fault in the working face 110301 of Jinjiaqu Mine was found out, providing decision basis for the safe extraction in the working face. Keywords reflected channel waves; transmitted channel wave; fault detection 神华宁夏煤业集团有限责任公司作为我国大型 煤炭开采企业，近几年不断提高煤矿机械化程度， 全面推广高产高效综采技术，煤炭生产规模不断扩 大，但地质构造复杂程度也逐年凸显，煤矿井下水 患及各种地质灾害不断地增加。 尤其宁东矿区断层、 水害、顶板冒落等隐患一直是制约着煤矿安全生产 的重要因素。在采煤过程中，断层破坏了煤层的连 续性，影响井巷围岩的稳定性，不仅降低机械化采 煤效率，而且会形成导水通道，成为煤矿突水的潜 在危险。因此在工作面回采前查明内部隐伏断层等 地质构造就成为机械化采煤的重要保障。 槽波地震勘探可以探查小断层、陷落柱、煤层 分叉与变薄带、采空区及废弃巷道等地质异常，具 有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征 易于识别以及最终成果直观的优点，是目前井下地 质构造探测最有效的手段。神华集团公司所属各矿 积极开展工作面开采前地质条件评价和工作面开采 前防治水安全条件评价，注重工作面开采过程中断 层破碎带处理及顶板冒落防护影响评价，大力推行 井下槽波地震探测技术，取得了较好的效果。 ChaoXing 34煤田地质与勘探第 46 卷 1槽波探测原理 煤矿井下槽波地震勘探是利用在煤层中激发和 传播的地震导波，探查煤层不连续性的一种方法。 在含煤地层中，煤层与围岩之间形成良好的地震反 射界面,当煤层中激发地震波时，纵波和横波经过煤 层顶底板界面的多次全反射，被禁锢在煤层中相互 叠加、干涉，最终形成了一个较大的干涉扰动在煤 层内不断向前传播，即槽波。 井下槽波探测的方法主要有 2 种 透射法和反 射法。槽波透射法图 1是炮点与检波点布置在两 条巷道内，一条巷道内放炮产生震源，另一条巷道 内布置检波器接收槽波信号。 根据接收到槽波的有 无、强弱等参数推断探测区域内构造发育情况。透 射法主要用于探测工作面内落差大于 1/2 煤厚的断 层、煤厚变化等地质异常。槽波反射法图 2是炮 点与检波点布置在同一条巷道内， 根据检波器接收 到反射槽波的有无、 强弱等参数来确认煤层的连续 性。 槽波反射法优势在于能够在一条煤巷中向两侧 进行构造的探测， 预先为探测区域内巷道布置及生 产采掘活动提供地质资料， 这在煤矿生产过程中意 义重大。 图 1透射法探测示意图 Fig.1Schematic detection of transmission 图 2反射法勘探示意图 Fig.2Schematic detection of reflection 2地质背景 神华宁夏煤业集团金家渠煤矿 110301 工作面 为该矿首采工作面，开采煤层为 3 煤，平均厚度为 3.7 m。工作面走向长 1 960 m，倾向长 247 m。工作 面巷道掘进期间共发现断层 8 条，断层最大落差为 2 m。 综合巷道掘进已揭露断层及相邻区域地质资料 推断该工作面内部有可能存在小型隐伏地质构造。 因此，110301 工作面宜采用槽波地震法对工作面内 部隐伏断层进行探测。 金家渠煤矿 110301 工作面槽波地震探测， 利用 透射、反射槽波联合方法沿 110301 工作面风、机两 巷布置观测系统。并采用全排列采集方案最大限度 地接收有效数据，提高成像精度。在充分研究金家 渠煤矿相关地质资料的基础上，采用道距为 10 m， 炮距 20 m。共布置激发点 121 个，接收检波点 234 个，测线总长度共 2 320 m。炮眼深 3 m，方向垂直 于煤壁，药量 0.3 kg/炮。 3探测成果 本次槽波地震勘探采用槽波透射成像和槽波反 射成像技术分析处理槽波数据，对工作面内部构造 分布情况进行了解释，槽波主频范围为 80160 Hz， 速度为 950 m/s。 采用透射槽波能量成像技术图 3， 根据每条槽 波射线的透射能量情况，对工作面中的煤层探测数 据进行处理及成像。蓝色区域代表槽波能量能够穿 透工作面， 说明工作面内部构造断层落差较小或者相 对简单， 红黄色区域代表槽波能量低穿透区或未能透 过区，表明有落差大于 1/2 煤厚的断层，最终解释两 条断层F11010、F11013，落差都大于 1/2 煤厚。 S53 炮激发后图 4，R131R181 道之间槽波 能量强， R182R241 道槽波明显弱， 说明 S53 炮激 发后，在传播的过程中 R131R181 道之间未受到 构造影响，槽波能量强，R182R220 道之间受到 F1108 断层的阻挡槽波能量减弱图 5。 采用反射槽波成像技术图 6， 利用煤层中的局 部区域与其他区域之间存在物性差异，就会导致经 过这一区域的槽波发生反射的特点，根据每一条槽 波射线接收到反射槽波的情况对工作面中的煤层探 测数据进行成像。最终解释两条断层CF1 和 CF2， 落差都小于 1/2 煤厚。 S30 炮激发后图 7，R66-R76 道有反射槽波， 说明 S30 炮激发后，在传播的过程中受到 CF1 断层 的阻挡从而形成反射槽波图 8。 ChaoXing 增刊 1张强等 槽波地震探测技术在金家渠煤矿首采工作面断层探查中的应用35 图 3金家渠煤矿 110301 工作面透射槽波能量成像图 Fig.3Tomographyof transmitted channel wave energy in the working face 1103301 of Jinjiaqu Mine 图 4S53 炮原始记录 Fig.4Original record of shot S53 图 5S53 炮激发、接收示意图 Fig.5Schematic stimulation and reception of shot S53 根据槽波地震探测成果图 9，此次采用槽波地震 探测技术查明了金家渠煤矿 110301 首采工作面内断层 发育情况，新发现 2 条断层CF1、CF2。修正了原 F11013 和 F11010，落差大于 1/2 煤厚。工作面内未探 测出其他地质异常。该探测成果与金家渠煤矿 110301 工作面巷道掘进过程中实际揭露地质资料基本一致。 4结 论 a. 在金家渠煤矿 110301 工作面探测区域内， 采用检波器全排列采集数据， 通过数据处理与解释， 探测区域内整体地质构造较为简单。 b. 通过对槽波地震探测成果与巷道掘进实际 揭露的断层进行比较，二者较为吻合，并对实际揭 露断层的延展情况进行了校正。 c. 在探测区域内新发现了两条断层，在工作面 开采过程中，需提前编制过断层措施，保证工作面 安全高效开采。 图 6金家渠煤矿 110301 工作面反射槽波成像图 Fig.6Tomographyof reflected channel wave in working face 110301 of Jinjiaqu Mine 图 7S30 炮原始记录 Fig.7Original record of shot S30 图 8S30 炮激发、接收示意图 Fig.8Schematic stimulation and reception of shot S30 ChaoXing 36煤田地质与勘探第 46 卷 图 9金家渠煤矿 110301 工作面槽波地震探测观测系统与探测成果图 Fig.9Channel wave seismic detection and observation systems and detection results in the working face 110301 of Jinjiaqu Mine d. 本次槽波地震发现的 CF2 断层位于该工作 面低洼区域，为相对富水区，CF2 断层可能与上覆 顶板砂岩含水层导通，在煤炭开采过程中应加强超 前探放水工作。 参考文献 [1] 胡国泽，滕吉文，皮娇龙，等. 井下槽波地震勘探预防煤矿 灾害的一种地球物理方法[J]. 地球物理学进展，2013，281 439–451. 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