采用地震勘探法超前探测矿区隐伏导水构造.pdf

第43卷 第4期 矿 业 安 会 与 环 保矿 业 安 会 与 环 保 Vol.43 No.4 2016 年 8 月 MINING SAFETY 超前探测超前探测； 导水构造导水构造;矿井水害矿井水害 中图分类号TD745.21;P631.4 文献标志码 B 网络出版时间2016-08-04 0930 网络出版地址http //www. cnki. net/kcms/detail/50. 1062. TD. 20160804. 0930. 016. html Advance Detection of M ine Concealed W ater Flowing Structure by Seismic Prospecting M ethod HUANG Xiaorong China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 4 0 0 0 3 9, China Abstract Fengfeng Coal Mining Area has complicated hydro-geological conditions and is threatened by water flood, so an urgent problem to be solved is to investigate and handle the concealed structures in the working face and their hydraulic conductivity. Advance detection was carried out on the concealed structures such as the small faults in front of 182311 working face in a mine in Fengfeng Mining Area, it was found out through investigations that there was an obvious wave - resistance abnormally at the place about 49 m in front of the working face, the exploratory boring proved that there was an abnormal water flowing zone at the place 50 m in front of the face, the actual revelation was a small fault with the throw of 0 . 8 m, and the advance detection results were basically consistent with actual situation. This detection can provide technical support for the grouting reconstruction and reinforcement and the elimination of water inrush hazard in the water flowing structural zone. Keywords seismic prospecting ； advance detection； water flowing structure； mine water flooding 峰峰矿区属于华北岩溶地区典型的大水矿区， 矿井水文地质条件复杂， 受水害威胁严重。随着矿 井向深部逐步延伸， 矿井水文地质条件越来越复杂, 地质构造发育,煤层底板承受奥灰水压增大,生产过 程中面临煤层底板奥灰水突水威胁性增大。近年 来,峰峰矿区发生多起奥灰水透水事故， 造成淹井、 矿井停产， 经济损失和社会影响极大[1]。引起这些 事故的直接原因是回采工作面推采位置后方煤层底 收稿日期收稿日期2016-01-13;2016-05-17 修订 基金项目基金项目 “ 十二五” 国家科技重大专项（ 2011Z X05040- 002;国家自然科学基金面上项目（ 61174006 作者简介作者简介黄晓容（ 1982） ， 女， 重庆南川人， 硕士， 工程 师， 主要从事矿井安全技术方面的研究工作。 板存在隐伏导水陷落柱， 在承压水和采动应力综合 作用下,诱发工作面底板小断层与隐伏导水陷落柱 沟通,承压水突破底板隔水层形成集中突水通道， 发 生奥灰水滞后突水， 突水量超过矿井最大排水能力， 导致淹井。因此， 对采煤及掘进工作面富水异常区 及隐伏导水构造的探查研究， 探索适合峰峰矿区的 水害综合探查方法、 技术对策， 已成为矿区生产现场 亟待解决的现实问题。 1地震超前探测方法1地震超前探测方法 1 . 11 . 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 79 激发 点 接 收 点 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。 图1工作面前方、 后方及侧帮反射界面示意图 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 1 x- 2L sin2 a 2 2Lsinacosa 1 式中琢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;i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 Ix，y，z 仔L|FC ■ wx，y，z，x ■ ux，ts 祝 Fc- 2仔A 1 Hj 臆 cos 酌 cos y-H2H2 cos yH1 Hj-H2 0cos yH2 _ 2r2 2rs -n rs A n2 A 2 /4 2r22rs-nrA 式中1x ， y ， z为积分偏移的结果;u 为地震波记录值; 2 t 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;F。 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毅 ， 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 Vol.43No.4 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 第43卷 第4期 Aug. 2016 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION 2016 年 8 月 80 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。 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 探 测 距 离/m 图4 动态弹性参数 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 探 测 距 离/m 图3 纵波反射界面二维图 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。 4 283 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 [1] 刘存玉， 关永强.峰峰集团九龙矿15423N工作面特大 突水原因剖析[J]煤矿安全， 2013,448187-190. 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