缓倾角煤层开采顶底板破坏特征CT探测.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 缓倾角煤层开采顶底板破坏特征CT探测 程学丰1 ,2,刘盛东1,张平松1,刘登宪3 1 1 安徽理工大学 资源与环境工程系,安徽 淮南 232001; 21 中国煤炭学会 矿井地质专业委员会,安徽 淮南 232001; 31 淮南矿业集团有限责任公司 生产技术部,安徽 淮南 232001 摘 要通过对淮南谢二矿深部缓倾角煤层开采过程中顶底板岩层破坏特征的震波探测和数据处 理,从而研究煤层采动所引起的围岩破坏规律,同时结合对相关石门的调查与探测结果进行对比分 析,做出解释,为煤层的开采提供科学的技术参数,以保障矿井安全高效生产。 关键词煤层开采;围岩破坏特征; CT探测 中图分类号 P63114 文献标识码 B 文章编号 0253 - 2336 2004 03 - 0041 - 03 CT exploration on roof and floor failure features of coal mining face in gently inclined seam CHENG Xue2feng1 ,2, LIU Sheng2dong1, ZHANG Ping2song1, LIU Deng2xian3 11Department of Resources and Environment Engineering , Anhui University of Science and Technology , Huainan 232001, China; 21Mine Geological Professional Committee , China Coal Society , Huainan 232001, China; 31Department of Production and Technology , Huainan Coal Mining Group, Huainan 232001, China 1 概 况 为了研究淮南矿区缓倾斜煤层开采过程中顶底 板岩层破坏规律,在淮南谢二矿井下44223试采工 作面上方采用地球物理勘探方法的震波CT成像技 术,以不同水平的两条巷道作为激发和接收位置进 行地震波数据采集,探测A3煤层开采后顶底板岩 层的破坏特征。 44223工作面位于谢二矿井44采区北翼块段, 该面开采上限为- 55517 m ,下限为- 61010 m ,工 作面走向长约400 m ,宽135～185 m ,煤层倾角 20 。采煤方法为顶板垮落式炮采,工作面开采储 量约为1615万t。 2 探测原理及方法 211 原理 矿井震波是指井下地震波勘探和声波探测中的 纵波、横波、槽波、面波的统称,它是在矿井巷道 内以煤、岩层本身作为主要研究对象,探查煤、岩 层的不连续性,以及有关的地质构造破坏与地质异 常体。只有对探测区波场的综合分析与判定才能达 到高分辨探测效果。震波探测技术是运用弹性波勘 探原理,采用锤击、爆炸、声发射等激震产生的波 场进行工程检测与勘探。 震波CT成像技术是根据物体外部的测量数 据,依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理 量的分布,最后得到清晰的、不重叠的分布图像。 CT技术的意义在于通过在物体外部的非破坏性测 量,能获得物体内部物性分布的图像,此次CT成 像采用震波透射旅行时法进行。 212 采集系统布置 根据现场条件,震波CT测试是在- 652 m放 水石门中放置检波器,检波器间距平均为5 m;在 - 522 m石门中放炮进行地震波激发,形成垂向剖 面约130 m梯形测试区域。具体测试剖面及孔位如 图1所示。 213 仪器设备 K DZ1114 - 3矿井地质探测仪/台5 30Hz高阻尼传感器/组20 数据传送及启动屏蔽电缆/ m10 000 雷管及炸药若干 串联爆炸启动器/只2 启动芯片若干 14 第32卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2004年3月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 本安直通电话/部2 图1 测试区域剖面 214 数据采集 探测工作于2002年6月15日进行,在235 m 的石门测线上总共完成炮数为28炮。震波CT采用 5台仪器并机操作,一次接收20道信号。按一定 顺序将孔中传感器与仪器相连后进行检测,获得相 应波形信号,其具体工作参数为① 通道数20 道;②采样间隔100～200μs;③采样频带10～ 1 000 Hz带通;④固定增益66～84 dB ;⑤采样长 度1 024点;⑥采样延迟时间0。 图2 震波CT图像及其地质解释 3 数据处理与分析 311 处理方法 将采集的各单炮波形数据进行合并、重排,组 成震波CT大记录,使井下信号转换为顺炮点记 录,并进行文头编辑、道数据编辑、二次采样、噪 声剔除、频谱分析、数字滤波、希尔伯特分析、初 至拾取等处理过程。从波的能量、速度、频率三个 方面进行透射数据处理和CT成像反演。 312 处理软件 震波CT成像数据资料的分析处理,采用的是 自行研制开发的大型工具软件KC2000 ,该软件集 数据录入、预处理及各功能模块与一体,易于成 图,使用方便快捷,解析精度高。 313 解析结果与分析 由于岩石的震波波速与岩石的物理力学性质有 着显著的相关性,震波波速与岩石的抗压强度成正 比关系,波速增高,岩体强度增加,说明岩体完整 性好;反之,波速降低,岩石强度减小,岩体完整 性降低。因此,将震波走时层析成像的波速切面与 地质剖面相结合进行对比,即可得出探测CT成像 结果见图 2 。根据上述解析步骤,对震波CT成 像进行处理,结果如下 SIRT波速反演结果图中各地质层位特征对比 明显,特别是各标志层连续性、完整性较好。A3 煤层开采后覆岩破坏结构特征相对较清晰,其中煤 层顶板破坏具有区段性。煤层直接顶板位置采后波 速值在116～212 m/ ms ,较该段岩层中砂岩、砂页 岩波速值314～410 m/ ms偏低。因此从覆岩破坏角 度将此判定为冒落带,高度为5～13 m。此上部各 24 第32卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2004年3月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩层波速较正常值均有降低,在探测剖面中间部分 岩层波速较两端更低,说明中间部分受到破坏作用 影响较强,而且采空区与未采区波速结果差异较 大,特征明显,未开采区上部岩层呈高应力区,波 速值相对较高。波速在216～218 m/ ms范围内的色 标区域为破坏裂隙发育段,个别地段岩层相对较完 整,受破坏影响程度低。因此将整体裂隙发育区域 判定为裂隙带,高度在35～41 m范围内。从波速 切面图中可以看出,冒落带上部岩层呈块段分裂式 垮落,且有离层存在。底板破坏深度相对较浅,从 波速特征上分辨较好,个别地方波速值下降到212 m/ ms左右,为明显破坏影响范围。总的来看,底 板的破坏深度在3～8 m。 314 ∃522 m石门调查与CT结果对比解释 探测结束后,对- 522 m石门进行了A3煤层 开采后影响调查,并将调查结果与震波CT探测结 果进行了对比图2 ,通过对比发现, CT探测的 结果与石门调查的结果有密切的对应关系,现结合 巷道调查分区具体位置自东向西解释如下 1 0 ～25 m段为正常区,位于工作面上端头 部位。工作面采后冒落高度达9 m ,波速由原中砂 岩正常值415 m/ ms降为316～318 m/ ms。表明基本 顶中砂岩原位坐落在垮落带之上,因而上覆岩层保 持相对稳定,对石门几乎没有影响。 2 25～65 m段为相对正常区, 位于工作面上 部。工作面采后冒落高度向下渐低 5 ～6 m ,波 速由原有泥岩夹层的中砂岩正常值410 m/ ms降为 216～218 m/ ms。表明基本顶中砂岩局部呈块状楔 体向采空区嵌入,基本顶以上有泥岩夹层的中砂岩 受采动垮落影响向下位移量少,相对稳定,因而对 应石门处于相对正常区。 3 65～105 m段为严重变形区, 位于工作面 中部鞍部。基本顶以上有泥岩夹层的中砂岩及 基本顶中砂岩波速降低幅度较大,由正常值415 m/ ms降到216 m/ ms左右。整体直观反映以低波速 为主,且上下层基本顶与基本顶以上岩层呈贯 通之势,说明上覆岩层向采空区嵌入量较大,因而 对应石门处于严重变形区。 4 110～125 m段为破坏严重区, 该区域主要 处在A2巷道及B4槽煤已采区,受重复采动影响 所致,但岩体内部CT结果反映的是,以高波速值 4 10 m/ ms左右为主和以低波速值 2 18 m/ ms左 右为主的分界带。 5 150～198 m段为正常区, 位于工作面下部 约整个工作面1/ 3处。同上端部冒落高度9～13 m ,基本顶中砂岩波速值由正常值415 m/ ms降到 316 m/ ms左右。表明上覆基本顶以上岩层向采空 区位移量很小,因而对应石门较正常。 6位于145 m处的淋水点处于波速为213～ 310 m/ ms ,倾角约为59 的条带上工作面下部的 1/ 3处 , 该条带上下贯通。该处煤层底板及A1煤 都有错位表现,底板应力较为集中。这种现象与淮 南矿区底板岩溶水突出发生的部位极为相近,有待 于今后进一步深入研究。 4 结 论 通过上述分析可知,深部A3组煤层采动对顶 底板产生的变形及破坏有以下几点特征 1 A3煤层开采后顶板覆岩破坏形态清晰 , 整体呈鞍状结构。 2在煤层顶板上方5～13 m处发育为冒落 带,其高度有向面内降低的趋势。裂隙带发育高度 为35～41 m范围内,位于冒落带上部,呈块段分 裂式垮落。 3 A3未开采煤层表现为应力集中区。若以 高应力集中区为界,其底板塌陷角为42～55,顶 板塌陷角为70 左右,与经验公式计算值相近。 4底板受采动影响范围清晰,且具不均一 性,破坏深度在3～8 m范围内。 5通过对- 522 m石门采后影响调查结果与 震波CT探测结果进行对比, CT结果与石门破坏变 形具有对应关系,并符合传统的采矿、岩体内部移 动的规律。 参考文献 [1] 程学丰 1 煤层采后围岩破坏规律的声波探测[J ].煤炭学报, 2001 2 . [2] 刘盛东 1 地震走时层析成像算法与比较[J ].中国矿业大学 学报, 2000 2 . 作者简介程学丰1951 - 男,江苏徐州人,高级工程师, 中国煤炭学会矿井地质专业委员会秘书长,主要从事矿井地质和环 境地质等方面的教学科研工作。 收稿日期 2003 - 11 - 10;责任编辑曾康生 34 第32卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2004年3月