密度大与规模小陷落柱工作面透射槽波探测应用_李俊堂.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 The small collapse columns in working faces of a mine in Shanxi are relatively developed and dense, easy to be missed in detection before mining, inhibiting the normal extraction of the working faces and bringing potential threat to the safe production of the mine. The transmitted in-seam wave with high number of ray coverage and multi-directional ray observation was used in detection, and interpretation was carried out by using CT imaging technology. The results show that the transmitted in-seam wave can accurately detect the boundary and location of the collapse column in the working faces. Keywords Transmitted in-seam wave; small collapse column; CT imaging 陷落柱是我国华北煤田开采中最常见的一种典 型地质异常体，尤其以山西省汾河沿岸、太行山西 坡一带最为突出[1-2]。在矿井生产过程中，陷落柱严 重影响了煤炭资源的高效开采，大幅度降低了掘进 和回采成本，最为严重的是多个小规模陷落柱多点 成线，连接含水层，诱导矿井突水，直接威胁着采 矿人员的生命安全[3-4]。 因此，在工作面回采之前，采用有效的物探 方法探查工作面内密度大、规模小的陷落柱边界 和位置，为矿方分析是否存在导水通道提供地质 依据，对于工作面的安全、高效回采具有重大意 义[5-7]。 透射槽波探测方法就是利用工作面进回风顺槽 及切眼，在煤帮上激发地震波，通过采集来自不同 位置激发的透射槽波信息，依据透射槽波遇到地质 构造时其振幅、能量、频率等特征会发生相应的变 化能量减弱。从接收的槽波数据中，利用 CT 层析 成像技术，对工作面内的地质异常体进行成像，可 以查明异常体的位置和边界[8-10]。 1透射槽波法探测原理 煤层与顶底板岩性相比， 速度和密度均具有较大 差异。 在煤层中人工激发地震波， 在传播至煤岩分界 面的时候会形成全反射， 地震波能量被禁锢在煤槽中 间，沿煤层传播，就形成了透射槽波[8-11]图 1。 回采工作面 U 型巷道的三个煤帮中，在其中任 意一帮进行激发，另外两帮进行接收，通过采集三 个煤帮的透射槽波数据，分析透射槽波能量的衰减 情况，交汇成像，探查工作面内陷落柱的位置和大 小[12-15]图 2。 ChaoXing 增刊 1李俊堂等 密度大与规模小陷落柱工作面透射槽波探测应用47 图 1透射槽波形成及传播示意图 Fig.1Schematic diagram of ation and propagation of transmitted in-seam wave 图 2透射槽波探测工作面陷落柱示意图 Fig.2Schematic diagram of transmitted in-seam wave detection of collapse column 2应用实例 2.1探测区地质概况 山西某矿 15103 工作面走向长度 750 m，倾斜 宽度 195 m，主采太原组 15 号煤层，煤层平均厚度 5.84 m，平均倾角 3，煤层赋存稳定。顶板为泥岩， 局部为砂质泥岩、粉砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩、 粉砂岩。工作面内进风顺槽 305350 m 处揭露陷落 柱 1 个X63；回风顺槽 390420 m 处揭露陷落柱 1 个X45。 2.2主要探测任务 依据已有地质资料综合分析，工作面所在采区 陷落柱密度较大，约 30 个/km2，平均长轴直径约 50 m，呈现出密度大，规模小的特点。由于 15103 工作面缺乏相关的地质资料，陷落柱的发育情况未 知，因此矿方采取透射槽波方法，探查工作面内陷 落柱的位置和大小，平面位置见图 3。 图 315103 工作面探测区域采区位置示意图 Fig.3Schematic location of the detection area of working face 15103 2.3针对性的探测方案 为了探明 15103 工作面内陷落柱发育情况，采 用透射槽波法进行探测。 为了获得较好的探测效果， 采取尽可能增加单位面元内槽波品质的针对性措 施。工作面走向长度 750 m，采用较小炮点间距则 可以获取数量较多的槽波记录；工作面内小陷落柱 密度极有可能较大，将会对槽波的形成与传播造成 一定的影响，很难保证每一炮都可以形成品质较好 的透射槽波，因此可以选择增加炮点数量，确保单 位面元内有较高的品质透射槽波；工作面陷落柱比 较发育，且密度较大，陷落柱三带相互影响，为了 确保炮点都在煤层中激发，进行了激发炮孔深度研 究，较浅激发低于 1 m炮孔位置处在煤层松动圈 内， 较深激发高于 3 m炮孔位置极有可能处在陷落 柱三带边界内。综合考虑以上因素，设计接收道距 10 m，激发炮距 10 m，孔深 2 m，药量 300 g，网格 5 m5 m 的观测系统，共完成有效炮点 84 个，每炮 164 道接收。图 4 为射线密度图，图 5 为工程布置 图，可以看出工作面中部射线密度最高，满足精 度需求。 图 4射线密度图15103 工作面 Fig.4Ray density map working face 15103 图 5工程布置图15103 工作面 Fig.5Engineering layout working face 15103 2.4资料分析处理 槽波波场的分析可以确定探测区域内的速度 分布情况，频散分析可以建立起槽波速度与频率 之间的相互关系。在准确的频率范围内选取恰当 的槽波速度，可以准确地反演出陷落柱的位置及 边界[8-11]。 工作面的单炮数据经过预处理后如图 6 所示， 槽波记录对陷落柱反应明显，煤层正常区域槽波记 录连续性好、能量强，构造分布区槽波能量明显减 ChaoXing 48煤田地质与勘探第 46 卷 弱或缺失。对槽波数据进行频散分析后图 7得出， 该区 5.84 m 煤层厚度的槽波的主频为 130 Hz， 速度 为 1 000 m/s。 图 6预处理后单炮记录 Fig.6Preprocessed single shot record 图 75.84 m 煤层厚度频散曲线 Fig.7Frequency dispersion curve of 5.84 m seam thickness 2.5槽波 CT 成像及解释 分析处理了整个工作面内 84 炮的槽波记录， 采 用层析成像技术进行 CT 成像，求取每一个网格内 的槽波能量变化情况。总体成像结果表明，工作面 内存在 10 个地质异常体。 分析成像区域内槽波能量 差异，最终推断出地质异常体的边界，如图 8 所示， 其中红黄色区域为槽波能量异常区，蓝色区域为正 常区。 结合采区相关地质资料和槽波能量分布情况， 将 10 个地质异常体都解释为陷落柱， 图 8 中黑色实 线圈定区域为槽波解释的陷落柱边界。 其中 5X63、7X45陷落柱已经揭露，CT 成 像结果与巷道揭露大小基本一致，说明分析处理选 择的槽波频率、速度比较准确，工作内的槽波地质 异常位置及大小可靠性高，槽波探测同时又可以解 释陷落柱在工作面内的影响范围。 1、2、3、4、6、8、9、10位于工作面内 部，规模最大为 2陷落柱，长轴直径 80 m，规模最 图 815103 工作面槽波成像解释成果 Fig.8Interpretation results of in-seam wave imaging working face 15103 小为 6陷落柱，长轴直径 20 m。1、2陷落柱在 CT 成像结果中呈现为一个异常区，但因为存在两个比 较严重的能量损失区域，因此解释为 2 个陷落柱。 总体而言，透射槽波方法能够比较准确地探测 出工作面内陷落柱的位置及边界，尤其是对工作面 内密度大，规模小的陷落柱反映明显。 3结 论 a. 由于煤层内发育的陷落柱与附近煤层存在 较大的物性差异，而槽波就是利用物性差异来探查 非煤区域位置及边界，是探测陷落柱的有效手段。 b. 透射槽波法采用切眼和两个顺槽三个方位 的射线交会观测方式，具有较高的射线覆盖次数和 多种角度的方位信息，再利用 CT 成像技术，可以 比较清晰地反映陷落柱的边界和位置。 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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ZDY2-1000LF 型双臂履带钻机在研究基地试验成功 中煤科工集团西安研究院有限公司钻研中心研制的 ZDY2-1000LF 型全液压履带钻机近期进行了型式试 验，现场各项数据正常，性能良好，试验获得成功。ZDY2-1000LF 型全液压履带钻机采用分体履带形式，是 我院首台双工作臂全液压坑道钻机，显著特点是宽度窄，移动灵活，可与掘进机交替施工，可用于煤矿井下 探水孔、瓦斯孔等隐蔽致灾因素探查孔的高效施工。钻机具有两个可独立操作的工作臂，可同时施工不同方 位、不同角度的钻孔，稳固调角速度快、辅助时间短、施工效率高。 日前，钻机在院西影路研究基地圆满完成实钻试验，测试了钻机两工作臂同时工作时的钻进性能、整机 稳定性及其他性能参数。试验结果表明，钻机结构设计合理、液压系统可靠，为钻机顺利进行现场工业性试 验奠定了基础。 梅新 ChaoXing