超前探测

2024-06-05

超前探测（共7篇）

超前探测篇1

地震勘探作为主要物探的方法之一, 广泛应用于煤矿采区合理布置、主巷道开拓、综采工作面开采地质条件评价, 在采区设计优化、避免和减少地质风险、优选采煤方法、提高资源采出率、降低万吨掘进率等方面起到了重要作用。但据相关资料统计, 许多物探仪器探测结果准确率平均在45%, 有的甚至不到20%。为了使探测仪器与实际地质情况有机结合, 提高矿井采掘工作面构造探测的准确性, 笔者结合平煤股份十一矿多煤层构造复杂区域开采的实际条件, 通过对不同条件下弹性波速度分析参数研究及试验, 找出探测设备与地质条件的有机结合点, 使探测准确率大为提高。

1 超前探测系统工作原理

矿井巷道震波超前探测系统 (Mine Seismic Prediction, MSP) 是一套适合各种矿井条件的巷道超前预测技术, 该系统以本安型KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为中心, 利用在巷道内按一定的排列方式激发人工地震波 (即弹性波) , 在向三维空间传播的过程中, 遇到波阻界面 (即地质岩性变化的界面、断层界面、构造破碎带等) 将会产生弹性波的反射现象, 反射波被检波器接收下来, 通过数据处理从中获取探测前方的反射波信息, 从而达到预报的目的, 是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震探测技术。

2 研究方法及技术路线

2.1 研究方法

在不断的探索过程中, 十一矿先对有揭露资料的巷道进行探测, 探测后进行对比分析, 找到弹性波速度分析参数在不同煤 (岩) 层的设定规律后, 完成了多条巷道的探测工作, 收集了大量的探测资料, 并在多个开掘工作面进行应用且不断完善, 最终研究出不同煤层、不同厚度、不同围岩条件下的弹性波速度分析参数。

2.2 技术路线

以KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为研究试验仪器, 将十一矿丁、戊、己三组煤掘进工作面作为试验场进行研究。分别设定同煤层不同厚度条件下、同煤层不同顶底板岩性条件下速度分析参数的研究与试验, 从而找出不同煤层、不同厚度、不同围岩条件下的速度分析参数, 再通过多个开掘工作面的应用进一步完善。①分别在垂深超过600 m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层厚度稳定地段进行试验。②分别在垂深超过600 m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层厚度不稳定地段进行试验。③分别在垂深超过600 m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层顶、底板变化较大地段进行试验。④根据上述3个步骤研究试验所得出的弹性波在煤层中速度分析参数值, 在垂深超过600 m的现有开掘工作面进行应用实验, 以验证弹性波在煤层中的速度分析参数设定值是否准确可靠[1,2,3]。

通过上述方案实施, 力求找出多煤层构造复杂区域开采活动中构造探测与地质条件的有机结合点, 从而解决矿井构造探测与预报准确率偏低的问题, 使构造探测预报准确率由以往不足45%提高到75%以上, 继而为巷道施工方案优化、施工安全及解放资源量提供技术保障。其技术路线如图1所示。

3 弹性波速度分析参数研究与设定

3.1 不同的煤 (岩) 层

弹性波在不同煤层中因煤层密度、煤层结构、煤层成分不同而不同。采用矿井地质探测仪分别对丁5-6煤层、戊9-10煤层和己16-17煤层进行了探测, 通过实际揭露验证和对比分析, 找出弹性波速度分析参数设定的影响因素。

(1) 结构。

弹性波速度受煤岩层结构所控制, 煤 (岩) 层颗粒的接触关系差通常导致弹性波速度低, 而煤 (岩) 层胶结程度好, 弹性波速度明显增强。因为颗粒之间的接触区域大, 所以大颗粒的砂层比细颗粒砂层呈现更高的弹性波速度;分选性差的煤层呈现较高的弹性波速度, 因为分选性差降低了孔隙度, 未固结砂层的分选性和颗粒尺寸会影响未固结砂层的Vp/Vs和泊松比;砂粒的圆度等也会影响弹性波速度和Vp/Vs:圆滑的颗粒导致更好的颗粒接触关系, 从而具有更高的速度。

(2) 成分。

弹性波在煤层中的传播速度因煤层的成分不同而不同。煤层中的成分主要有镜质组、均质镜质体、惰质组及丝质体等形成多组合类型, 这些成分的存在直接影响着弹性波传播速度。

(3) 密度。

弹性波的速度随着煤岩层的密度增加而增加。煤岩层密度小, 其分子间或颗粒间存在的空隙相对较大, 在弹性波传递的过程中, 由于受到空隙界面的反弹或影响, 导致速度分析参数减小, 从而导致弹性波在整个煤岩层中传播速度降低[4]。

综上影响因素, 确定在不同煤 (岩) 层中适于该矿的矿井地质探测仪速度分析参数:砂岩为2.8～3.0 m/ms;砂质泥岩为2.5～2.8 m/ms;泥岩为2.3～2.5 m/ms;丁5-6煤层为1.2～1.3 m/ms;戊9-10煤层为1.4 m/ms;己16-17煤层为1.0～1.2 m/ms。

3.2 不同的围岩情况

在同一煤层不同围岩情况下探测时, 其顶底板岩性变化将会扰乱弹性波的接收, 从而使探测结果不准确。如在戊9-10煤层中探测时, 顶底板和夹矸的岩性变化直接导致弹性波速度分析参数的设定。

戊9-10-16150运输巷煤层顶板为泥岩或粉砂岩, 煤层底板为泥岩或细砂岩。当煤层顶板和底板为砂岩、弹性波速度分析参数选用1.4 m/ms时, 实际揭露的断层或煤层赋存状态变化在探测异常区内;而当煤层顶板和底板为泥岩、弹性波速度分析参数也选用1.4 m/ms时, 实际揭露的断层或煤层赋存状态变化和探测异常区有偏差。综合分析, 在同一煤层中, 顶底板为砂岩时比顶底板为泥岩时的弹性波速度快 (表1) 。

m/ms

3.3 不同的赋存状态

在同一煤层中探测时, 煤层越厚, 其弹性波的传播速度越小;岩层越厚, 其弹性波的传播速度相对变大。所以, 煤 (岩) 层的赋存状态变化直接影响弹性波速度分析参数的设定。如在己16-17-22102回风巷探测时, 当煤层厚度大于4.0 m、弹性波速度分析参数选用1.2 m/ms时, 断层或异常区在探测范围之内;当煤层小于4.0 m时, 弹性波速度分析参数选用1.0 m/ms为宜 (表2) 。

m/ms

3.4 煤、岩巷波形及速度对比情况

矿井巷道地质探测仪能探测预报多种矿井地质问题, 特别是对波阻抗差异较大的地质构造, 其准确性较好。利用该仪器对地质构造进行超前探测, 可为技术决策提供参考依据, 避免因技术上的失误而造成损失。但由于不同的岩层或煤层的波阻抗差异也不相同, 应先获得探测现场不同介质的速度参数, 这样在距离确定时准确性更高, 指导性更强。针对此情况, 十一矿对矿区内的岩层和煤层进行了多次探测, 通过MSP数据处理软件的“带通滤波参数调整、振幅调整”的处理参数确定、域滤波线性叠加, 再利用F—K方法、通过宽速度域、窄频带进行二次反射波提取, 调整“反射波提取”参数中“域区间”等对波形及速度进行对比、分析和研究, 找出了地震波波形的一定规律。弹性波在岩层、煤层中的波形如图2、图3所示。

根据图2与图3资料分析, 得出丁5-6煤层波形速度较小, 戊9-10煤层波形速度小, 己16-17煤层波形速度最小, 砂岩波形速度最大, 砂质泥岩波形速度较大, 泥岩的波形速度大。

4 应用情况及效果

平煤股份十一矿使用矿井巷道地质探测仪, 在丁5-6-26071工作面运输巷和切眼、戊二胶带下山等6个工作面完成物探工程总量5 775 m, 探测出地质异常体77个, 实际揭露断层数20条、煤层赋存状态变化31次, 准确率为77.8%。为及时、准确地提供地质资料, 有效指导矿井安全生产, 该矿针对每个工作面建立了相对地质探测数据库, 为矿井的生产提供了地质依据, 为该矿近2年在防突、防瓦斯、顶板控制及防治水方面提供了可靠的技术支撑。

5 结语

在使用矿井巷道地质探测仪过程中, 弹性波的速度分析参数设定直接影响到探测结果, 而影响弹性波速度分析参数的主要因素是不同的煤层、煤层厚度及煤层围岩等, 因此, 不同的地质探测仪器在使用过程中, 结合该煤田、该矿区的实际地质条件, 找出探测仪器与煤层地质条件的有机结合点, 保证探测预报的准确性。通过探测, 提高了矿井构造的预测能力, 有效提高了矿产资源的利用率和采出率, 使矿井地质探测工作做到智能化、简单化, 也有效指导了煤矿采、掘及其他方面的安全生产。

参考文献

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[3]刘伟锋, 徐涛.东荣三矿小地质构造瑞利波探测技术[J].山东煤炭科技, 2009 (2) :74-75.

[4]赵文曙, 邵佩林, 刘海东, 等.基于矿井地震波法的地质超前预报技术研究应用[J].中国矿业, 2012 (S1) :465-469.

TSP超前探测技术应用分析篇2

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 是目前应用最多的隧道地震波超前地质预报方法之一。TSP作为隧道施工中普遍采用的长距离超前地质预报手段, 可以对岩体的参数进行定量测量, 对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体 (节理、裂隙、断层破碎带等) 界面的测量结果比较可靠[9,10,11,12,13]。因此, 采用TSP超前地质预报对隧道进行长期预报对施工有较好的指导意义, 能达到减小地质灾害的目的。

1工程概况

某隧道位于秭归县水田坝镇境内, 隧道采用分幅式, 其左幅起讫桩号ZK126+622～ZK130+458, 总长3 836.0 m, 右幅起讫桩号YK126+554～YK130+369.5, 总长3 815.5 m。隧道属标准间距隧道, 设计路面为单向坡, 纵坡降1.692%～1.693%, 最大埋深约421.36 m, 属深埋特长隧道。

隧道区属构造剥蚀侵蚀层状低中山岭剥夷面峡谷区, 受向斜构造以及层状坚硬砂岩—半坚硬砂质泥岩夹软质泥页岩岩性差异风化剥蚀控制, 区内山岭走向、坡面形态复杂多变, 隧道场址位于秭归盆地西翼, 主要由侏罗系层状坚硬砂岩—半坚硬砂质泥岩夹软质泥页岩 (碎屑岩类) 构成, 隧道区内上覆盖层为残坡积碎石土, 沿山坡分布, 局部沟谷处有第四系冲洪积亚黏土、砾卵石层, 下伏基岩为紫红色薄—中层泥质粉砂岩与灰白色中—厚层长石砂岩不等厚互层。

2TSP探测原理

在设计的震源点用少量炸药激发产生地震波, 当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 (如断层、破碎带、岩性变化、溶洞和地下水等) 时, 部分地震波信号反射回来, 部分信号透射进入前方介质。反射的地震波信号被高灵敏度的地震波传感器接收。通过TSPwin软件对数据进行处理, 便可了解隧道工作面前方地质体的性质、位置及规模。TSP超前地质预报测线及仪器布置如图1所示。

3数据采集、处理

此次预报采用的是TSP 203plus系统, 对隧道进口ZK127+091～ZK127+218段进行探测, 探测范围共127 m。沿隧道右侧洞壁布置24个爆破点, 爆破点平行于隧道底面呈线形排列, 孔距1.5 m, 孔深1.5 m, 炮孔垂直于边墙向下倾斜15°～20°以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15 m处设接收器点, 接收器安装孔的孔深2 m, 内置接收传感器。采集的TSP数据通过TSP win软件进行处理, 获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移图和反射层提取图以及岩石物性参数等一系列成果。

4数据解释

在成果解释中, 预报裂隙水常遵循以下准则:①若S波反射较P波强, 则表明岩层饱含水;②Vp/Vs增加或δ突然增大, 常常由于流体的存在而引起;③S波遇富水岩层反射很强, 且S波反射明显较P波反射强。S波深度偏移以强烈的负反射开始, 以强烈的正反射结束。P波深度偏移以强烈的负反射开始, 以强烈的正反射结束。

基于上述基本准则, 结合不同不良地质的特征, 根据TSP处理结果可知:在ZK127+177附近, 纵、横波波速比 (Vp/Vs) 大幅增加 (由1.63增大到1.88) , 泊松比明显增加 (由0.19增大到0.30) , 密度显著降低 (由2.03 g/cm3降为1.92 g/cm3) , 弹性模量显著降低 (由15 GPa降为10 GPa) , 且横波反射明显较纵波反射强。因此, 可推断此处岩体内节理裂隙发育且含较多裂隙水。

5实际开挖结果验证

当隧道施工至ZK127+177时, 实际揭露围岩为紫红色粉砂质泥岩, 节理裂隙发育, 拱部呈破碎状, 滴状渗水, 整体稳定性较差;拱顶有大面积股状流水, 流量较大。

与实际开挖结果对照, TSP超前地质预报比较准确预报了涌水的位置, 为隧道的施工安全起到了指导作用。

6结论

(1) 隧道施工初勘不能较准确地确定不良地质体的发育位置和情况, 所以在施工过程中超前地质预报必须列入工序。

(2) TSP地质预报可对隧道工作面前方的围岩进行较准确探测, 通过超前地质预报, 能及时掌握工作面前方的地质情况, 为隧道施工和及时调整支护参数提供依据, 有效控制和避免地质灾害的发生。

(3) TSP预报准确预报了某隧道ZK127+177处的涌水情况, 据此, 施工单位及时变更了支护形式, 保证了隧道的顺利施工。TSP对裂隙水的探测结果比较准确, 对类似工程有较好的借鉴意义。

摘要：TSP技术是目前较先进的隧道超前地质预报技术, 可以较准确地探明隧道不良地质问题, 对施工中的地质灾害防治具有较好的作用。结合某岩溶隧道施工探测应用实例, 介绍了TSP探测原理、数据采集处理及解释方法。实际开挖结果证明, TSP超前地质预报技术比较准确地预报了涌水的位置, 为隧道的施工安全起到了指导作用。

综合物探在煤矿超前探测中的应用篇3

关键词：综合超前探测,瞬变电磁法,直流电法,地震法

晋城矿区内多年来小窑乱采、乱掘, 造成采空区、采空积水遍布, 资源整合建设现代化的新型矿井后, 对新矿井的建设和生产造成极大威胁, 绝大多数透水灾难发生在掘进工作面。针对这一问题, 为了探明掘进工作面前方采空区的分布及其含水情况, 采用瞬变电磁法、直流电法和地震法对掘进工作面前方可能存在的采空区进行综合超前探测, 取得了很好的效果。现以晋城矿区内某矿井应用情况为例进行说明。

1矿井地质概况

该矿井的地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、第四系, 其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为矿井的主要含煤地层。井田总体为一走向北东倾向于北西的单斜构造, 地层倾角约3°~6°, 伴随发育有较宽缓的褶曲和断层构造, 未发现陷落柱构造, 未见岩浆岩侵入。

2施工方案设计

在该矿井3201巷掘进工作面进行施工。该巷道开采煤层为3号煤层, 煤层上距K8砂岩27.39m下距K7砂岩6.6m。

2.1瞬变电磁法施工设计

选用YCS160矿用本安型瞬变电磁仪进行施工。设计矿井瞬变电磁法超前探测共布置横向探测方向14个 (如图1) , 分别是左侧帮 (0°、15°、30°、45°、60°、75°) 、正前方 (左侧90°、右侧90°) 、右侧帮 (0°、15°、30°、45°、60°、75°) ;每个横向探测方向共布置3个纵向探测角度 (图2所示) :与巷道顶板呈30°夹角向前方顶板探测 (图2 (b) ) 、顺岩层方向向前方探测 (图2 (a) ) 、与巷道底板呈30°夹角向前方底板探测 (图2 (c) ) 。

2.2直流电法施工设计

选用YTD-400 (A) 矿井全方位探测仪进行直流电法施工。设计供电电极A1, A2, A3间距为4m, 测量电极M、N间距为4m, 供电电极A1距掘进头约14m, 测量电极M、N移动次数30次, 每组M、N测量电极对应3个供电电极A1, A2, A3, 共计90个测点数据, 如图3所示, 探测深度为100m。

具体施工如下:

第一步:以皮卷尺为测量工具, 在距迎头14m处为起始点按4m为间距, 一次标点为1、2、3……30。

第二步:在1、2和3号布设供电电极A1、A2和A3。

第三步:在4号点及以后电极均布设为测量点。

第四步:测量时将供电电极A和B (无穷远) 固定, 当A1供电时, 测量电极M和N在4和5号点处, 记录采集数值;然后M电极从4号点移到6号点, A1再次供电记录数据;依次这样交替移动M和N电极, 由A1供电分别记录各点数据, 直到30号点结束。

第五步:当第四步结束后, 再以A2和A3分别为供电电极重复第四步操作, 直至跑极结束, 达到设计探测目的。

2.3地震法施工设计

使用华安奥特科技有限公司YTZ1矿用本安型地震仪进行施工。将观测系统布置于巷道迎头, 在迎头断面采用单点自激自收反射波法以小偏移距进行数据采集。如图4所示。

3成果分析

3.1瞬变电磁法成果分析

从图5顺层探测结果中可以看出, 在探测范围内, 发现1处低阻异常, 距离探测位置45m之外。

3.2直流电法成果分析

图6为直流电法掘进头超前探测剖面图, 可以发现, 在有效探测深度范围之内, 有1处低阻异常, 命名为低阻异常1。低阻异常1位于距掘进头前方约40-50m处。

3.3地震法成果分析

图7为超前探测结果剖面图, 从结果中可以发现1处异常, 位于探测前方37-45m处。

4钻探验证

为对三种探测结果中的异常区进行验证, 该矿进行打钻施工。设计三组钻孔, 巷道正中向前方一组, 巷道左右帮与巷道中心线夹45°角各一组。左帮钻孔100m全煤, 巷道中心钻孔在43m处见空出水, 巷道右帮钻孔在38m处见空出水。经化验, 出水为老空水。

5结论

本次物探工作共采取了瞬变电磁法、直流电法、地震法三种勘探方法对3201巷掘进工作面前方小窑采空破坏区进行探查。每种物探方法都圈出异常区, 且经钻探验证, 物探结果准确。

通过本次实例可以证明, 在掘进工作面使用瞬变电磁法、直流电法和地震法的综合物探方式, 可以较为准确地查明前方未知采空区的位置及富水性, 成果可靠, 能够为矿井生产提供可靠的地质资料。

参考文献

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[2]吴有信, 方舍珍.综合物探在煤矿深部开采与灾害防治中的应用[A].中国煤炭学会矿井地质专业委员会2008年学术论坛文集[C].2008.

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[4]张平松, 等.矿井巷道前方地质构造及异常综合探测与应用[A].第二届环境与工程地球物理国际会议论文集[C].2006.

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[6]郭开文.煤矿防治水工作中勘探方法的综合运用[J].内蒙古煤炭经济, 2012, 11.

超前探测篇4

1 地震反射波法超前探测技术原理

地震反射波法依据地震反射勘探技术的原理,主要通过地震波在指定的震源点激发,通常是在煤矿巷道中以炸药或锤击作为震源,地震波在煤岩中以球面波形式传播,当遇到地质异常界面时,地震波会发生反射,反射回来的信号由高精度的地震检波器接收。通过对反射信号的运动学和动力学特征分析,可以提取由不良地质体(断层、陷落柱等)构成的反射界面信息,从而达到超前探测的目的[3]。目前,井下地震反射波勘探常用的方法主要有小偏移距单点反射法、隧道地震波超前预报(TSP)方法等。

1.1 小偏移距单点反射法

地面反射波法地震勘探为了避免先于目的层反射波到达的直达纵横波、面波、声波和折射波等干扰,而选择足够大的偏移距。在浅层和极浅层探查时,偏移距略大,则可能形成宽角反射,并带来一系列难题。为解决这一问题,地质雷达、水声法等通常采用极小偏移距的发射、接收系统。考虑矿井掘进工作面现场条件的影响,通常将激发点和接收点布置在掘进巷道的迎头,激发震源为铜锤,单道检波器接收。数据采集采用多次锤击单道的接收方式,通过分析地震波信号的振幅、频率等信息,获取掘进工作面前方的地质异常情况[4]。图1为小偏移距单点反射法超前探测示意图。

1.2 隧道地震波超前预报法

隧道地震波超前预报系统(Tunnel Seismic Prediction,简称TSP),是由瑞士安伯格(Amberg)测量技术公司研制的一套先进的地质超前预报探测系统。TSP技术主要用于隧道超前地质预报,具有预报距离远、施工方便、数据处理解释简单等优点,在瑞士、德国、法国、美国、日本、韩国等发达国家的隧道施工中得到了广泛应用,尤其成为TBM法施工决策中不可或缺的工序。国内是从20世纪90年代开始引进这套技术,主要用于隧道施工,从应用的效果来看,在距掌子面100 m以内的预报结果比较可靠。近年来,由于TSP系统防爆仪器的成功开发,该项技术被逐步应用到煤矿井下。

矿井中应用TSP技术通常采用单道或两道、多炮激发的观测系统。根据煤矿井下巷道的特点,激发点和接收点通常布置在巷道的一侧。采用小药量炸药震源激发,高精度三分量地震检波器接收地震信号。三分量检波器记录了2个水平方向和1个垂直方向信息。多分量检波器接收的地震信号携带了更为丰富的信息量,更易识别小的地质异常构造的位置和影响范围。接收到的地震信号主要通过反射波提取、地震波速度分析及偏移成像,提取掘进工作面前方的反射界面的信息,超前预报异常地质构造[5]。矿井巷道地震反射波超前探测示意图见图2。

2 地震反射波法超前探测应用效果分析

阳煤集团五矿四采区地质构造复杂、断层较多,在巷道掘进过程中存在瓦斯突出危险,需要对巷道掘进过程中的安全可靠性作出评价和开展瓦斯突出防治的技术研究。因此,在巷道掘进过程中采用地震反射波法进行跟踪超前探测,为采掘工程提供地质预报,确保安全生产。

2.1 小偏移距单点反射法应用实例

探测工作在巷道有限空间的掌子面上进行。探测时由于受掌子面煤体松动或煤体自身松动的影响,往往不能形成好的地震波激发接收条件。为了获取有效的地震波数据,锤击激发时可加上锤击垫,以保证激发出有效的向煤体方向传播的地震波,检波器也应当尽量避开煤壁的松动区域,保证检波器与煤壁耦合良好。图3所示为煤巷掘进头探测成果,可以看到在15.5 ms处存在一反射界面,根据该区域以往探测经验取煤体地震波速为1 700 m/s,则反射界面位于掌子面前方13.2 m处,后经巷道掘进验证此异常为煤层中的小断层。

2.2 隧道地震波超前预报法应用实例

采用TSP方法进行超前地质预报,通常在巷道的一侧布置24炮激发单道三分量接收观测系统。炸药一般选用一级或二级岩石乳化炸药,灵敏电雷管触发。图4所示为典型的煤巷地震数据,分别为x、y、z 3个方向分量。

(a)x方向 (b)y方向 (c)z方向

原始数据经过滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离(包括反射波提取、纵横波分离)、速度分析后,得到深度偏移剖面及提取的反射界面。煤巷地震波超前探测结果解释剖面如图5所示。掘进工作面前方共解释了5个岩性分界面,其中在前方110~120 m处的反射面经验证为一较大的断层构造,其余界面实为小断层及破碎带,基本上控制了掘进前方大的异常构造,提供了有效的超前地质预报信息。

3 结语

1) 小偏移距单点反射法施工较为灵活、施工周期短、激发简单,可重复多次,但受迎头现场条件影响较大,且探测距离相对较短(有效距离一般为50~70 m)。TSP法超前预报探测距离远(有效距离一般为150 m)、探测精度较高,但是前期辅助工作较长。实际应用中,可根据具体情况选用不同方法,也可进行联合探测,互相验证。

2) 在煤矿井下掘进头进行地震反射波超前探测,总体上具有距离目标探测体近、抗干扰能力强、探测结果直观可靠等特点。目前,地震反射波法已在我国煤矿井下超前探测中发挥着重要作用,为巷道安全掘进提供有效技术指导。随着对井下地质体地球物理特征的深入研究,井下高性能防爆设备的进一步开发,矿井地震反射波法超前探测技术将会迎来更广阔的应用前景。

参考文献

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超前探测篇5

关键词：掘进工作面,地震波,水文地质,超前探测

0 引言

Y252工作面位于唐山矿岳胥区11水平,南、西部为井田边界及F5断层。东部为7173、7050、7050西、7170等开拓巷道,北部无采掘工程。该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。根据地面三震勘探成果资料,向前掘进将至DF11断层,其间还可能存在一些小断层和裂隙发育区。对Y252工作面安全掘进施工及岳胥区工程构成潜在威胁。为保证掘进施工安全,需查明前方构造位置及其富水性,为巷道设计、支护及矿井防治水提供依据。结合风巷的实际情况,采用矿井巷道地震波超前探测方法,力求提高探测的准确率。对Y252工作面的安全掘进施工以及岳胥区工程的施工具有十分重要的意义。

1 矿井震波超前探测基本原理

矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体时会发生反射的原理,结合巷道的特点,设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的,爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列,这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源,形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时,将产生反射波。

2 矿井震波超前探测井下施工

2.1 测线布置与数据采集

现场探测工作在Y252工作面掘进超前风巷迎头处展开。因该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。为了进一步查明前方构造准确位置及裂隙发育情况,现场进行了地震超前探测与预报,为掘进施工安全提供有效的技术参数。

2.2 矿井震波超前MSP现场布置

测线布置左帮上,水平布置,炮孔26个;接收传感器点为2个即C1、C2。传感器及炮孔顺序和方位见图1,设计炮间距2m。其中C2传感器距离P26号炮点15m,C1点距C2点5m。标志点风轴距离迎头5.5m。

3 矿井震波MSP超前探测数据处理与分析

3.1 数据处理

将现场采集到的物探数据经过处理转化为可利用的物性图件,其处理流程为:数据预处理——频谱分析——直达波求取——反射波提取——速度分析——深度偏移——界面提取。根据速度谱并结合现场岩性情况,再结合以往探测的验证结果,本次MSP探测取综合速度为2.5m/ms进行偏移处理速度。频谱分析处理利用FFT工具对本巷道采集的地震波形进行频率域分析,作用在于掌握对本巷道在炸药震源条件下的地震波主频分布范围,有利于指导后续数据的处理。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波初至直线,经分析直达纵波速度为2.5m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。深度偏移处理为MSP处理的核心部分,在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上。以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。基于直达波速度,本次均匀速度背景值取值为2.5m/ms。由于采用炸药震源,探测距离较远,以C1为相对零点,整体探测距离达到227m,其中已揭露区77.0m,未揭露区150.0m。

3.2 结果分析

用MSP方法得到的巷道前方地震纵波界面提取面,从剖面中分析可以看出,自迎头向巷道前方150m范围内存在有较为明显的反射相位,异常界面距当日迎头前方68-73m段,而距风轴点为73.5-78.5段,较强的反射界面距当日迎头前方93-98m段,而距风轴点为98.5-103.5m段,其界面反射能量较强,同时在横波剖面中可以发现在当日迎头前方5-10m段具有反射波相位,可能为存在的裂隙发育的特征表现。

4 结论和建议

通过超前地震现场进行勘探,综合上述纵横波偏移结果及现有地质资料,得出如下:(1)推断在风轴测点前方73.5-78.5段存在R1异常界面,在风轴点前方98.5-103.5m段存在R2异常界面,在风轴点前方128.5-133.5m段存在R3异常界面。(2)结合地质资料将在风轴测点前方73.5-78.5段R1异常界面推断为破碎带或者小构造,裂隙较发育。规模较小,对掘进影响不大。(3)从MSP超前探测结果得出,相对风轴点向巷道前方98.5-103.5m存在R2异常界面和128.5-133.5m处存在R3界面推断为具有一定规模的构造、存在断层或破碎带,对巷道掘进有一定影响。(4)综上,在探测控制范围内可安全掘进,在掘进通过预报的构造或破碎带时提前做好防治措施,加强顶板管理和巷道支护。

通过超前探测,基本了解了DF11断层区域内的水文地质情况。因第一次进行地震超前探测,其地震波速选取对断层界面位置的解释产生一定的影响,建议掘进过程中加强地质编录,以便后续探测的深入分析。同时做好异常界面处的安全技术措施。确保Y252工作面的安全生产。

参考文献

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超前探测篇6

1 矿井瞬变电磁法超前探测布置系统

瞬变电磁在井下全空间施工与地面不同, 因受到巷道空间的制约, 在超前探测时, 由于煤岩成层分布、线圈与地层的耦合方式与地面相比发生了变化, 由原来的平行层理变为垂直层理[3], 或者与地层以一定的角度耦合。

1.1 探测频率选择

瞬变电磁探测的最大深度与发射频率存在一定的关系, 选择的频率越高, 其探测的深度就越小, 同样对探测目标体的分辨率越高;频率越低, 探测深度越大, 对探测目标体的分辨率就相对低一些。在井下进行超前探测时, 往往根据矿井的实际情况, 既要保证探测的快速高效, 又要确保掘进的按期进行, 探测的有效距离一般为100 m左右。通常选择的频率为25 Hz (图1) 或8.3 Hz (图2) 。

1.2 天线边长及匝数确定

由于井下测量装置距离异常体更近, 大大提高了测量信号的信噪比, 实践表明:井下测量的信号强度比在地面同样装置和参数设置的信号强10~100倍。因此, 用小回线装置探测是适用可行的。根据煤层沉积的区域性差异及开采规模的不同, 为了满足煤矿探水要求, 一般选择边长小于2 m的重叠回线装置。瞬变电磁早期接受信号的时间道中, 线圈自感信号比有用信号大得多, 衰减得也快, 总存在一个使瞬变电磁无法分辨有用信号的时间范围[4]。所以当线圈匝数增加时, 随之而来线圈本身自感、互感作用也加大, 从而加大探测盲区。因此天线匝数不能随意加大, 在保证勘探深度的条件下, 一般选用发射线圈为10匝、接收线圈为20匝来进行探测。

1.3 超前探测施工方法

瞬变电磁法井下超前探测布置系统一般有3种施工方法:扇形探测、半圆形探测和U型探测。每种探测方法均可以根据实际情况将每一测点探测几个方向, 如顶板45°方向、顺层方向、底板45°方向, 依次测量, 保证数据的连续性。

(1) 扇形探测系统主要用于掘进面上的背景干扰和左右两侧帮相差较大的情况, 可以获得掘进面上下左右区域内的探测数据 (图3) 。

(2) 半圆形探测系统主要用于掘进面与左右两帮衔接处的背景干扰相差不大的情况, 可以获取掘进面左右范围内及两侧帮临近掘进面一部分的探测数据 (图4) 。

(3) U型探测系统是以掘进面前方数据为重点, 侧帮数据为对比辅助的一种侧帮和掘进面兼顾的探测系统 (图5) 。此方法主要是在井下施工条件允许的情况下, 获得侧帮及掘进面的探测数据。由于掘进面受锚网、工字钢等金属体的干扰较小, 而侧帮受到的背景干扰较大, 因此, 使用此方法时要注意侧帮与掘进面数据的对比, 剔除干扰因素。

2 瞬变电磁对不良地质体的响应特征

我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复杂, 矿井透水主要是由于掘进工作面前方隐伏导水断层、富水陷落柱、含水岩溶和老窑水等突水构造引起的[5,6,7]。目前, 现有研究对断层和陷落柱等导水构造的发育规律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。所以, 总结分析瞬变电磁法对这些不良地质体的响应特征, 在煤矿防治水中有着重要的指导意义。

2.1 导水断层

巷道掘进过程中, 断层引发的突水大多是由于断层错动导致的断层与含水层顶界面距离减小甚至对接造成的。通过超前探测布置系统在各煤矿的实际探测效果钻探验证情况相结合, 笔者总结出瞬变电磁对导水断层的响应特征:当掘进面前方有导水断层时, 视电阻率断面图上的等值线不是有规律地变化, 而是在导水断层影响的范围内出现一个低阻异常区, 且该异常区等值线比较稀疏, 在偏离该断层控制范围的一侧视电阻率等值线相对密集, 视电阻率值较大 (图6) ;或者低阻区域附近等值线弯曲较大且向下变尖, 低阻区域为一有规律的几何图形 (图7) 。当断层不导水时, 其为一高阻地质体, 响应特征不明显。

2.2 富水陷落柱

陷落柱是华北石炭、二叠系煤田中一种重要的地质现象, 它不同程度地贯穿了奥灰以上的地层, 当其贯穿煤系地层时, 便有可能成为奥灰水进入矿井的通道[8,9]。当巷道掘进面前方存在富水陷落柱构造时, 其在视电阻率断面图上反映的特征为:低阻区域两边的视电阻率值明显高于低阻区, 其周边的等值线分别向两侧弯曲、密集 (图8) 。距离陷落柱越远, 视电阻率值越大。通过低阻区和等值线密集带展布形态, 大致可以判断出富水陷落柱的位置和影响范围。当陷落柱本身富水性较差或者不含水时, 在视电阻率断面图上的特征反映不明显, 等值线变化规律没有被打破, 因此, 从图上识别比较困难。

2.3 老空水

当掘进巷道接近或沟通采空区时, 极易发生老空水水害。近年来, 老空水水害严重威胁着煤矿的安全生产。因此, 研究矿井瞬变电磁对老空水水害的响应特征, 可以为治理老空水提供一些技术保障。当掘进巷道前方存在采空区积水时, 该地质构造在视电阻率断面图上所表现的特征为:接近低阻异常区之前, 等值线按一定规律变化, 弯曲度较小, 基本为一直线, 且视电阻率值随深度的增加而减小;当接近低阻异常区时, 等值线展布规律被打破, 弯曲度变大, 或为一较大的不规则几何体, 且视电阻率值也出现随深度增加由小变大的现象 (图9) 。

使用瞬变电磁在井下巷道超前探测时, 由于受断层的断距、倾角、走向、富水性、断面与线框间的距离, 陷落柱的形状、大小、富水性、距线框的距离, 老空水含水量、采空区的位置及与掘进面距离等因素的影响, 它们在视电阻率断面图上的展布形态也比较复杂。同时, 在探测同一不良地质体时, 因为探测方向的不同, 其在视电阻率断面图上的展布形态也不同, 这也需要对其进行综合分析。

3 结语

(1) 瞬变电磁井下超前探测时, 不同不良地质体反映在视电阻率断面图上的等值线变化规律不同, 可以基于这一特征判断该构造的性质及影响范围。

(2) 同一属性的不良地质体富水性不同时, 在视电阻率断面图上的表现完全不一样:富水性好时, 特征明显;富水性差时, 很难识别。断层构造由于展布形态复杂, 归纳总结出2种展布特征, 对造成这种差异性的因素需进一步研究。

(3) 由于影响地质体空间展布的因素较多, 实际超前探测时系统噪声的存在, 对探测结果会造成一定的影响, 所以在对成果分析时一定要结合实际地质资料和钻探资料, 以提高物探的准确率。

参考文献

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[3]姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究[D].徐州:中国矿业大学, 2008.

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超前探测篇7

1 地震超前探测方法

1.1 地震超前探测原理

地震超前探测是利用反射地震波法,通过布置在巷道侧帮的小药量炸药震源激发产生地震波,地震波在煤岩体中以球面波形式传播,当遇到煤岩体波阻抗差异界面(例如断层、岩石破碎带和陷落柱等异常)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号折射进入前方煤岩体中,反射的地震信号被三分量地震检波器接收[2,3],如图1所示。

在矿井地震超前探测数据采集时,三分量检波器接收来自于前方、侧帮和后方的地震信号。其中前方反射信号是超前探测的有效信号,而直达波及侧帮和后方等的反射信号均为干扰信号。掘进工作面前方反射界面的反射波时距曲线公式为:

式中:α为波阻抗反射界面与巷道轴线的夹角;L为接收点到反射界面与巷道轴线交点处距离;v为煤岩体波速;x为炮检距。

各接收点到掘进工作面前方的反射界面之间地震波的传播距离随着炮检距增加而减小,而反射界面到激发点,反射波传播的距离都是基本相等的,故从近炮检点到远炮检点,地震波旅行时随着炮检距增加而减小。而直达波和后方反射波的斜率正好与前方反射波相反,炮检距越小则所接收到的信号越早[4]。

1.2 超前探测资料处理解释

地震偏移成像是地震资料处理的核心[5]。偏移成像的方法较多,但矿井地震资料通常采用叠前深度克希霍夫偏移方法进行处理。叠前深度克希霍夫偏移最重要的参数是偏移孔径[6,7],偏移孔径即偏移所需要的波场范围值,偏移孔径过小会影响偏移成像的精度,而过大的偏移孔径会增加计算时间,还会在积分过程中引入干扰,降低信噪比。

首先利用速度分析的结论进行射线追踪计算,求得每个成像点的时间和路径,再利用如下公式计算地震资料最佳孔径深度偏移,即:

式中:I(x,y,z)为积分偏移的结果;u为地震波记录值;w为权函数,用于修正上行波振幅值;e为单位向量,用于将三分量检波器的位置映射到笛卡尔坐标系中;A为取第一菲涅尔带为偏移孔径;Fc为权函数用于给偏移孔径约束边界镶边。

矿井地震解释利用纵横波的偏移成果,主要解释纵波资料,参考横波资料。其偏移剖面中颜色越黑代表振幅越强,振幅异常区域即表明该处存在波阻抗异常,煤矿中引起波阻抗异常的主要有如下几种地质异常体:采空区、陷落柱、断层和煤层破碎带,这4种异常体在地震剖面上的振幅由强到弱大致顺序为采空区、陷落柱、断层破碎带、煤层裂隙带,其中陷落柱和断层破碎带容易在横向上形成较大范围的异常,波场特性比较相似。

根据理论分析和实际解释经验可知,矿井地震解释应遵循几点原则:

1)认识矿井及已揭露巷道的地质情况,有助于对地质异常的定性解释;

2)由于产生转换横波需要一定的地质条件,转换横波资料不如纵波资料丰富,因此解释时应以纵波信息为主;

3)由于液体介质中切变模量为0,因此水中没有横波。根据速度剖面可直接计算纵横波速度比和泊松比,纵横波速度比的大幅度上升或泊松比的突然增大通常表示有含积水体存在。

2 导水构造探测

峰峰矿区某矿182311工作面位于三采区南翼,韦武神岗背斜西翼,东为182309工作面,西为182313工作面,南至SF53断层,北至三采区胶带上山,三采区胶带机巷、轨道巷及回风巷已形成系统,东侧182307工作面正在向前掘进,182303工作面正在进行回采,无其他采掘情况。煤层走向变化较大,NW83°~NW48°~NE25°,倾角8°~24°,倾向SE。煤层比较稳定,结构比较简单,煤层不含夹矸,煤层厚3.60~4.40 m。直接顶为砂页岩,厚4.05 m,灰黑色、性脆、致密、节理发育;直接底为粉砂岩,厚8.40 m,灰黑色,含有大量植物化石及石英砂岩,顶部有黄铁矿薄膜;老顶为中粒砂岩,厚24.84 m,灰白色,厚层状,具波状层理;老底为细粒砂岩,厚2.70 m,灰黑色,薄层状,具波状层理。

现场探测时在巷道侧帮布置1个炮孔和多个接收孔,接收孔间距为1.5 m,离底板高度1 m。由于受现场干扰因素影响,第2、4、5、21道数据质量较差,舍弃,其余数据可用。

探测结果以探测时的掘进工作面为0 m位置,成果图中横坐标表示超前探测距离。由图2偏移剖面可知,在24 m和49 m附近存在2处明显波阻抗异常区(黑色的区域),虽然影响范围较小,但同相轴连续且振幅较强,可能为小断层界面。其余零星分布的波阻抗异常同相轴不连续,很难判断为界面,推断可能为煤层各向异性或处理过程中噪音的影响。

根据同相轴的连续性和振幅异常属性提取纵波偏移剖面中的异常界面,如图3所示。图3中提取了9个异常界面,其中3个异常界面集中在49 m异常区域附近,其余均为孤立分布。

图4是由速度剖面直接计算的纵横波速度比和泊松比曲线,显然在45~49 m附近出现了纵横波速度比陡然上升和泊松比大幅增加的情况,据此能够作为对该异常区富含水的辅助判断。

通过对地质异常区钻探验证,在182311回风巷探测正前方50 m处见一导水异常。对导水异常区进行预治理和底板注浆加固后,掘进揭露为落差0.8 m的小断层,附近煤层底板岩层松软破碎且附近煤层底板出现渗水等水文地质异常现象。

3 结语

1)在峰峰矿区复杂地质条件下,采用地震勘探法成功超前探测了掘进工作面前方的小断层,并对其导水性进行了预测预报,取得了较好的地质效果,为矿井的高效安全掘进提供了实用的地质保障手段。

2)先物探预报水文地质异常,后钻探对巷道底板含水层富水地段及构造导水地段进行验证和注浆改造加固处理,是治理水文地质异常区,消除突水隐患的技术基础。

参考文献

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