软岩巷道围岩损伤破坏范围的地震探测研究.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y V 0 1 ．3 0 N o ．1 J a n ．2 0 0 1 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 1 0 1 0 0 2 30 4 软岩巷道围岩损伤 破坏范围的地震探测研究 彭苏萍1 ，王希良2 ，肖建华1 ，王磊1 ，杜木民3 1 ．中国矿业大学，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．石家庄铁道学院．河北石家庄0 5 0 0 4 3 3 ．邢台矿业集团，河北邢台0 5 4 0 0 0 摘要针对软岩巷道难支护的主要原因是对巷道工程地质条件和固岩结构认识不清、史护对象不 明确的问题，论述了应用地震技术探测软岩巷道损伤破坏范围的可行性．以显德汪矿主运输大 巷为试验研究对象，利用地震技术对巷道进行了全断面探测，实现了软弱结构面的空间定位和围 岩结构的精确探测，从而为支护形式和参数的选择提供了直观可靠的地质依据． 关键词软岩巷道；围岩结构；地震技术；探测 中图分类号P6 3 1 ．4文献标识码A 软岩巷道难支护的问题一直是制约煤矿生产 的重大技术难题，造成这一问题的主要原因是巷道 的支护形式和参数设计以传统的地质素描为依据， 对巷道工程地质条件和围岩结构认识不清、支护对 象不明确． 在工程实践中如何准确、快速地把握岩体中的 软弱结构面及岩体结构，是软弱岩体稳定性研究中 的一项重要内容，许多学者在探测仪器及技术等方 面作了很多研究工作，董方庭应用超声波法对巷道 松动圈的形状及厚度进行了探测，同时提出了以松 动圈厚度为指标的围岩分类方案⋯．杨永杰 19 9 7 应用地质雷达在新汶矿务局华丰矿进行了松动圈 形状及厚度的探测“] ．蔡德所 i 9 9 8 在三峡工程左 岸临时船闸现场，利用地震C T 技术确定了岩体的 损伤破坏范围“] ．王辉 2 0 0 0 利用地震层析成像技 术，进行了岩体软弱结构面和围岩结构探测“] ． 对于软岩巷道而言，上述方法在探测软弱结构 面和围岩结构等方面遇到了较大困难，超声波传播 的距离有限，且在岩体破碎带中传播的性能差，尽 管精度较高，但不易作出全局控制．地质雷达探测 厚度小，且表层水对它有很大的屏蔽作用．地震 C T 接收和激发的方位角不够，形成影像的精度较 差．而地震探测技术以其精度高和探测范围广已成 为围岩结构探测有力的技术手段，利用地震技术进 行围岩结构探测可为支护设计提供可靠直观的地 质依据． 基于以上分析，我们用地震技术在邢台矿业集 团显德汪矿主运输大巷15 0m 范围内进行了探 测，效果较为理想． 1 原理 1 ．1 巷道开挖后岩体结构与地震波的关系 软弱岩体开挖后，岩体中原有的应力平衡状态 遭到破坏，应力重新分布，集中应力大于围岩强度， 围岩将从巷道周边开始发生破裂，并逐渐地向深部 扩展，直至达到新的平衡为止，这种破裂区称为松 动圈． 在岩体结构松动破碎区，地震波波速较小而振 幅衰减较快，反之．在岩体结构较完整区，地震波波 速较大、振幅衰减较慢．因此，可以利用地震波频率 波速的变化曲线来划分不同的工程地质区；同时 松动圈范围的岩体与其周围未破裂的岩体的结构 不同．它们之间形成一个明显的波阻抗界面，是探 测松动圈厚度的地球物理基础口“] ． 1 ．2 地震波的时距方程 1 地震波的传播满足如下积分方程 收穰日期，2 0 0 0 0 4 1 2 基盒珥目国家自然科学基金资助项目 5 9 7 7 4 0 0 3 ，4 9 8 7 2 0 5 3 作者筒介，彭苏萍 1 9 5 9 ．男，江西省萍乡市人，中国矿业太学教授，博士生导师．工学博士，从事地震勘探方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 ”J 。”。1 妇“ d “ 式中f 为波的传播时间；” z ，z 为波速；d s 为弧微 分． 上式表明地震波传播的真实路径和地下介质 速度函数是互相耦合的． 2 一个界面共炮点反射波的时距曲线方程 k 士√F 而矿二_ 函赢■． 口 ’ 由上式可知，反射波的传播时间t 与接收点位 置z ，反射界面深度h ，界面倾角m ，界面上部介质 的波速”之间存在明显的内在关系． 3 多层介质情况下的反射波时距方程 由于煤系地层剖面多是成层状结构的，速度横 向变化小，在每一层内速度是均匀的． 净z 善I 忐 ， ⋯一j ⋯t 式中h ，为各层反射界面的厚度m 为波在各层的 平均速度；嘶为渡在各层界面上的入射角． 2 巷道数据采集技术 2 ．1 探测仪器 为连续有效的获得巷道围岩的工程地质信息， 最大限度地压制随机干扰，提高地震记录的信噪 比，正确选择仪器参数和观测系统设计是现场数据 采集技术成功的重要环节． 仪器采用石油物探局研制的W F 1 0 0 6 型轻便 遥测数控地震仪，该机具有高空问和时间密度、高 灵敏度，高抗干扰能力、高信噪比，具有实时全精度 频率域的相关能力，仪器适应于可控震源，具有构 成功能很强的地震数据处理系统和现场质量保证 控制系统．采样率1m s ，记录长度20 0 0m s ．前放 增益4 8d B ，低切滤波16H z ． 2 ．2 激发方式 激发方式是影响地震记录质量的重要因素，由 于矿井瓦斯较高，煤尘、粉尘较大，考虑到防爆要 求，受生产条件的限制，不宜使用炸药。只能用可控 震源，为压制面波、声波以及巷道内其他噪音的干 扰，激发采用了多次垂直迭加技术． 2 ．3 观测系统设计 为提高地震记录的信噪比、抑制多次波的干 扰，采用单边放炮、6 次覆盖的观测系统，道距 5m ，偏移距3 0m ，单边激发，3 6 道接收．分别在巷 道的两帮、顶板和底板布置检波器，采用可控震源， 由在靠近检波器道的遥测装置对地震信号进行整 理和数字化处理，同时又在记录系统中对数据的完 整性、现场参数和性能特征不断监视 3 数据处理和资料解释 3 ．1 数据处理 数据处理是地震探测成功的重要环节，处理方 式、参数选择得当，就会获得质量较高的时间剖面． 为最大程度地消除面波、声波及其它噪音的干扰． 除一般流程外，在资料处理中还重点使用了滤波技 术，处理流程如下 数据解编一静校正一道编辑一振幅恢复一数 值滤波一速度扫描一动校正一水平叠加一动平衡 3 ．2 资料解释 根据地震波所反映的地震波动力学和运动学 信息，结合地震资料上各反射层的时间、深度、频率 等特征．推断各反射层的工程层位。分析地震资料 上所反映的各种工程地质现象．从而对巷道围岩的 工程地质条件作出评价． 3 ．2 ．1巷道工程地质条件评价 分别在巷道的顶板、底板、两帮布置检波器，获 得各断面的单炮记录．通过比较直达波和折射波频 率的相对高低、采用多点交汇法作图，划分巷道的 工程地质范围．从图1 可以明显的看出，巷道不同 遭号 囤1 单炮记录解释图 F i g ．1I n t e r p r e t a t i o nd i a g r a mo fs e i s m i ce x p l o r a t i o n 啪 瑚 瑚 伽 湖 ㈣ 瑚 啪 螂 ㈣ h 万方数据 第1 期彭苏萍等软岩巷道围岩损伤破坏范围的地震探测研究 部位地震波的频率是不同的，这反映了地震波在不 同的岩体结构介质中的传播速度是不同的．也说明 了巷道围岩结构的复杂多样性． 如图1 所示，1 2 ～1 8 ，2 3 ～2 7 道地震波速度最 低．岩体结构最松散、工程地质条件最差；5 ～9 ，9 ～1 2 道地震波速度较低，岩体结构较松散．工程地 质条件较差；1 ～5 ，2 7 ～3 0 道地震波速度较高，岩 体结构较完整，工程地质条件较好；1 8 ～2 3 道地 震波速度最高，岩体结构相对其它区段最完整，工 程地质条件最好．根据以上分析，主运输大巷可划 分为表1 所示的4 个工程地质区． 裹1 主运输巷道工程地质条件分类 T a b l e1C l a s s i f i c a t i o no fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni nt h em a i nr o a d w a y 3 ．2 ．2 松动圈形状及厚度解释 地震波在传播过程中，遇到渡阻抗分界面就会 产生反射和折射，然后沿折射面传播，松动圈与未 松动圈的分界面是一个近似的折射面，从图2 可 以明显的看出松动圈在地震时间剖面上的特征 图2 叠加时间剖面解释图 F i g - 2 I n t e r p r e t a t i o ．nd i a g ．r a m ．O ft l m e s e c t i o n t ns e i s m i ce x p l o r a t i o n 1 松动圈范围内地震波的波速同周围未松动 的岩层相比存在很大差，出现了反射散射波，并表 现为反射波中断，变得不可连续追踪，过松动圈后， 反射散射渡消失、反射波恢复． 2 围岩的松动破坏区具有很强的吸收、频率 衰减作用，在地震时间剖面上表现为反射散射波频 率的降低． 3 松动圈范围内的反射散射波形状不规则． 根据平均速度资料，结合不同界面反射散射波的双 程垂直到时，根据少量已知控制点的松动圈厚度。 利用折射波到时滞后或超前来确定松动圈的厚度； 但在松动圈厚度较小时，却表现为直达波主频的降 低 由子波叠加特性决定 ，同时伴随有高频的导波 噪音，一般而言，导波噪音频率与厚度成反比关系， 故而将直达波主频与导波噪音频率结合在一起就 可以估计松动圈厚度，计算结果见表2 ． 表2 主运输巷道围岩松动■探测结果 T a b l e2D e t e c t e dr e s u l t so ff r a c t u r e dr o c kz o n e s i nt h em a i nr o a d w a y 工程地质区 巷道围岩橙动圈厚度平均值／m 顶板 1 ．7 3 ．7 底板 2 ．3 3 ．2 左帮 1 ．9 3 ．8 右帮 2 4 2 6 3 6 I 区 1 区 I I 区 Ⅳ区 4 结论 1 根据岩体结构理论及软弱结构面与其周围 岩体在地震波在传播特性上的差别，采用地震技术 可以对软弱结构面和岩体结构进行空间定位与探 测． 2 应用地震技术进行井下工程岩体结构的探 测，突破了传统的以地质素描为手段的巷道工程地 质条件定性认识的局限性，提高了工程地质条件评 M 。 m 瑚 姗 伽 蜘 ㈣ 瑚 咖 咖 啪 * ￡、～ 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 价的定量化水平． 3 对试验区主石门巷道而言，其支护形式、参 数和施工工艺基本相同，但在巷道走向方向上的不 同位置，应力和位移均表现出了很大的不同，这主 要是由于巷道不同区段的工程地质条件发生了很 大的变化造成的，为实现成功支护，采用地震技术 进行原位探测将为支护形式和参数的选择提供可 靠的地质依据． 4 在探测范围内，直达及反射散射波的特征 是不同的，由此可划分为I ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4 个工程地 质区．各区所对应的松动圈厚度平均值分别为1 ．1 ． 2 ．1 ，2 ．9 ，3 ．6m ．这反映了围岩工程地质条件和结 构的不同，甚至存在很大的差别，据此分析结果可 明确支护对象． 5 从突破的观点来看，软岩巷道的破坏总是 先从工程地质条件最差的地段首先发生，然后才由 点到面，逐渐扩展到全部巷道，因此我们建议在制 定支护方案时应对突破点 Ⅲ，Ⅳ区 首先进行控制 并及时采取相应的对策． 参考文献 [ 1 ]董方庭．巷道围岩松动圈支护理论[ J ] ．煤炭学报， 1 9 9 4 1 2 1 3 2 ． [ 2 3 杨永杰．巷道围岩松动圈的地质雷达探测及应用 D ] ．工程地质学报．1 9 9 7 ， 3 2 7 6 2 8 1 ． [ 3 ]蔡德所．复杂坝基与滑坡研究中的新方法[ M ] ．北 京电力工业出版社，1 9 9 8 ．1 1 8 1 3 3 ． [ 4 ] 王辉．黄鼎成．地震层析成像方法及其在岩体结构 中的应用[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 0 1 ／1 0 9 1 1 7 ， I s ] 陆基盂．地震勘探原理及资料解释[ M ] ．北京石油 工业出版社，1 9 9 1 ． [ 5 3 李天元，杨元海，赵炯，等．印度岗瓦那系煤层槽波 探测技术的适应性[ J ] ．煤田地质与勘探，1 9 9 9 ．2 7 3 ．6 76 9 ． P r i n c i p l ea n dM e t h o do fD e t e c t i n gF r a c t u r e dZ o n e s o fS o f tR o c kR o a d w a yb yS e i s m i cT e c h n o l o g y P E N GS u p i n 9 1 ，W A N GX il i a n 9 1 ，X I A OJ i a n h u a 2 ， W A N GL e i l ．D UM u r a i n 3 1 ．B e i j i n gC a m p u s ．C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 tC h i n a 5 2 ．R m r c hI n s t i t u t eo fG u a a g h u aG e o p h y s m s ．N o ．1B u r e a uo fC o a lE x p l o r a t i o no fC h i n a ，X i n g t a iH e b e i ’0 5 4 0 0 0 C h i n a 3 ．X i n g t a iM i n i n gG r o u p ，X i n g t a iH e b e i ，0 5 4 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t O n eo ft h em a i nr e a s o n sf o rt h ed i f f i e u ks u p p o r ti ns o f tr o c kr o a d w a yi st h a tt h ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n sa n ds t r u c t u r eo fs u r r o u n d i n gr o c ka r ei n d e f i n i t ea n dt h es u p p o r t e do b j e c ti su n c e r t a i n ．A i m i n ga tt h i s D r o b l e m ，t h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i n gf r a c t u r e dz o n e so fw e a kr o a d w a yb ys e i s m i ce x p l o r a t i o nw a sd i s c u s s e d ． B yt a k i n gt h em a i nh a u l a g er o a d w a yo fX i a n d e w a n gC o a lM i n ea sa ne x a m p l e ，t h es t r u c t u r e so fs u r r o u n d i n g r o c ko ft h em a i nr o a d w a yw e r ef u l l yd e t e c t e d ．A na c c u r a t er e s u l to fs t a b i h t yo fs o f tr o c km a s sh a sb e e n a e h i e r e d ，p r o v i d i n gad i r e c tg e o l o g i c a lb a s i sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs u p p o r tf o r m sa n dp a r a m e t e r so far o a d w a y K e vw o r d s s o f tr o c kr o a d w a y ；s t r u c t u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k ；s e i s m i ct e c h n o l o g y ；d e t e c t i o n 万方数据