地面与井下物探联合精细探测小型断层构造.pdf

第 1 9卷 第6期 总第 1 2 l期 2 0 1 4年 1 2月 煤矿 开采 C OAL MI NI NG T EC HNOL OGY Vo 1 ． 1 9 No ． 6 S e r i e s N o ． 1 2 1 De c e mb e r 2 0 1 4 ●固甚哥皿 地 面与井下物探 联合精细探 测小型断层构 造 孙庆先 ，安晋松。 ，牟 义 。 ，孙志强 1 ．煤炭科学技术研 究院有 限公 司 安全分院 ，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学技术研究院有限公司 ，北京 1 0 0 0 1 3 ； 3 ．山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公 司，山西 晋城 0 4 8 0 0 6；4 ．福州华虹智能科技股份有限公司 ，福建 福州 3 5 0 0 0 3 [ 摘要] 多年实践经验总结表明，地面物探成果对于 了解煤层赋存状态、矿井主要构造等宏 观内容十分有益，但对于规模较小的地质异常体的判断存在较大误差。在地面物探成果的指导下，开 展井下物探，可以达到对小型地质异常体的精细探测，提高准确率，降低误报率和漏报率，减少盲目 性，对于保证安全生产起到重要作用。根据矿井环境条件，采用不同原理的物探技术组合开展井下综 合物探，有利于分析判断物探成果。以实例说明地面三维地震与井下瞬变电磁法、地震波法联合物探 对于探测隐伏小型构造十分有效。 [ 关键词] 地面三维地震；矿井瞬变电磁法；矿井震波超前探测技术；小型断层构造 [ 中图分类号]T D 2 1 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 ． 6 2 2 5 2 0 1 4 0 6 ． 0 0 2 5 0 4 S ma l l Fa u l t Ex p l o r a t i o n wi t h S ur f a c e a n d Und e r g r o un d Co mb i n e d De t a i l e d Ge o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g S U N Q i n g x i a n ’ ， A N J i n ． s o n g ，MU Y i ， ， S U N Z h i q i a n g 1 ． Mi n e S a f e t y T e c h n o l o g y R e s e a r c h B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e H i g h e f fi e i e n c y a n d C l e a n U t i l i z a t i o n，B e i j i n g 1 0 0 0 13，C h i n a ； 3 ． G e o p h y s i c al P r o s p e c t i n g E n g i n e e r i n g B r a n c h ， T e c h n i c al R e s e ar c h I n s t i t u t e C o ．， L t d ．， S h a n x i J i n c h e n g C o a l G r o u p ， J i n c h e n g 0 4 8 0 0 6，C h i n a ； 4 ． F u z h o u Hu a h o n g I n t e l l i g e n t T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，F u z h o u ， 3 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ye a r s o f p r a c t i c e s h o w e d t h a t s u rfa c e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n f r u i t w a s f a v o r a b l e f o r u n d e r s t a n d i n g c o a l s e a m o c c u r r e n c e s t a t e a n d m a i n t e c t o n i c o f m i n e ， b u t t h e r e w a s m a j o r e r r o r i n j u d g i n g s m a l l t e c t o n i c b o d y ． U n d e r g r o u n d g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n w o u l d r e a l i z e d e t a i l e d d e t e c t i o n for s mM1 t e c t o n i c bo d y，i mp r o v e a c c ur a c y a n d r e d uc e mi s i n f o r ma t i o n a nd f a i l ur e r a t i o ．Ac c o r di n g t o mi n e e n v i r o n me n t c o n d i t i o n，a p p l y i n g u n d e r g r o u n d c o mp r e h e n s i v e g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n wi t h d i f f e r e n t t h e o r y wa s f a v o r a b l e for a n a l y z i n g e x p l o r a t i o n r e s u l t ． An e x a mp l e wa s u s e d t o s h o w t h e e f f e c t i v e n e s s o f a p p l y i n g s u r f a c e 3 - d s e i s mi c ，u n d e r g r o u n d t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d a n d s e i s mi c w a v e me t h o d t o d e t e c t i n g h i d d e n s ma l l f a u l t ． Ke y wo r d s s u r f a c e 3 - D s e i s mi c； mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d； mi n e s e i s mi c wa v e a d v a n c e d d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ； s ma l l f a u l t 随着机械化水平的提高以及人们对物探理解认 识的提高，物探技术已经逐渐被煤矿企业所接受。 很多煤矿企业利用物探技术在地面或井下开展了老 空区调查 、地质构造调查和水害预测预报等工作 ， 物探成果在一定程度上为矿 山企业的安全生产提供 了保障。 由于地质采矿条件复杂多变 、施工时干扰因素 的不可排除等原因，无论地面和井下 ，都存在岩性 差异被淡化或完全屏蔽的情况 ，给工作人员造成难 以辨识 的假象。此外 ，由于经验认识不足造成主观 淡化或强调地质异常体存在 的情况不可避免。这就 造成了物探成果误报率高、准确率低 的局面 ，有时 还存在漏报现象 。特别是对小型构造的预测预报 ， 地面和井下单一物探都难以达到良好的效果 。在对 沁水煤 田开展多年的物探工作 的基础上研究发现 ， 地面和井下物探联合 ，能提高小型构造预测预报的 准确率 ，降低 了误报率和漏报率 。 1 煤矿地质条件和物探地质条件 某矿隶属于晋煤集 团有限责任公司 ，设计生产 能力为 0 ． 9 M t ／ a 。矿井含煤地层为石炭系上统太原 组和二叠系下统山西组 。物探区域内井田构造为单 斜构造 ，3号煤和 1 5号煤为全区可采煤层 。3号煤 层位于山西组下部 ，煤层厚 0 ． 3 5～ 6 ． 6 1 n q_ ，平均厚 [ 收稿日 期]2 0 1 4 ． 0 4 0 1 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 6 [ 基金项 目] 国家 重点基础研 究发展计划 9 7 3计划资助 项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 ；国家国 际科技 合作专项 资助项 目 2 0 1 2 Z R 0 4 0 0 ；煤 炭科学研究总院基金资助项目 2 0 1 2 J C 1 2 [ 作者简介]孙庆先 1 9 6 8 ． ，男，河北廊坊人，博士后 ，高级工程师，从事地质、“ 三下 采煤等方面的研究工作。 [ 引用格式 ]孙庆先 ，安晋松 ，牟义 ，等 ．地面与井下物探联 合精细探 测小型断层构造 [ J ]．煤矿开采，2 0 1 4，1 9 6 2 5 2 8 ． 总第 1 2 1期 煤 矿 开 采 2 0 1 4年第 6期 4 ． 2 6 m。1 5号煤 层位于太原 组一段底 部 ，煤层 厚 0 ． 4 0～5 ． 3 0 m，一 般 厚 3 ． 0 5 ～5 ． 3 0 m，平 均 厚 2 ． 8 3 m。3号煤和 1 5号煤间距平均为 8 6 ． 6 m。 测区为山地丘陵地貌。表浅层黄土厚度或基岩 风化差异较大 ，浅层地层结构对地震波的激发与接 收不利 ，地震地质条件较差。3号 、1 5号煤层与其 上下围岩弹性差异明显 ，是 良好 的波阻抗界面，地 震深层地质条件 较好 。1 5号煤层 由于受 3号煤层 屏蔽作用影响，在部分地段 1 5号煤反射波能量偏 弱 。综合分析，测 区地面地震物探地质条件 中等复 札【 1 ] 东 0 测区内各地层之 间 垂 向上 均有较 明显 的 电性差异。沿走 向方向上测区内地层沉积稳定 ，横 向电性差异较小 。井下 电法和震波法物探地质条件 比较 理想 。 2 设备选型与施工方案设计 2 ． 1 地面地震法设备选型及施工方案设计 选用法 国 S E R C E L公 司生产 的 4 2 8 X L多道遥 测数字地震仪 。8线 8炮制规则束状观测系统 ，测 线线束方 向近似垂 直于地层走 向 j 。观测 系统 主 要参数如表 1 。 表 1 4 2 8 X L地震仪 观测 系统 主要参数 表 项 目 参数 项 目 参数 观测系统8线 8炮 类型 规则束状 采样频率／ ms 1 接收方式6 堆 0 H 置z 霪 记 录 长 度 ／ s 1． 0 接收道数／ 道 6 4 0 8 0 x 8 前放增 益／ d B 1 2 接 收线数／ 条8 激发方式 中间发炮 接 收线距／ m 4 0 激发炮线距／ m 2 0 接收道距／ m 1 0 激发炮排距／ m 1 0 0 c 。 P网 m后 最 大炮检距／ r n 4 5 1 ． 7 7 叠加次数／ 次 1 6 横 4 x 纵 4 最小炮检距／ m 1 4 ． 1 4 对大面积难施测障碍物 ，采取了多种变观技术 方案，如并线和偏移结合接收、隔束纵向观测 、远 端加密炮排等 。 遵循单一 因素变化原则 ，在物探区域开展了浅 层地震地质条件试验。根据试验结果及周边矿井以 往开展工作 的经验确定 ，在基 岩裸露 区，机钻成 井 ，井深 3 m；薄黄土沉积 区，人工钻具成井 ，以 基岩顶界面为井底 ，浮动井深 ，一般 4～ 8 m；厚黄 土沉积区 ，人工钻具成井 ，井深为 l 0～1 2 m。药量 均为 1 ． 0 k g 。 为提高成果的可靠性，除对地面数据的常规处 理解释外 ，还选择多种清晰的地震属性数据及组合 2 6 数据进行辅助解释 ，如基于顺层时问窗 口内反射波 频域特征的主频振幅、频带宽度等 J 。 2 ． 2 井下超前探测设备选型及施工方案设计 在井下物探施工时曾选用直流电法、瞬变电磁 法和震波法多种仪器进行组合超前探测实验 j 。 最终选择瞬变 电磁法 和矿井震 波超前探测技术组 合。 2 ． 2 ． 1瞬变 电磁 法 选用 Y C S 2 5 6矿用本安 型瞬变电磁仪 ，采用重 叠 回线装置。施工时硬件主要技术指标和参数设置 如表 2 表 2 瞬变 电磁仪主要技术指标和参数表 堡墨 垦 项 目 参数 垡塑叁塑 垦 项 目 参数 在作业地点条件允许时 ，瞬变 电磁法超前探测 共布置横 向探测方 向 1 4个 图 1 ，分别是左侧帮 6个 间隔 1 5 。 、正前方 2个 、右侧帮 6个 间 隔 1 5 。 ；每个横 向探 测方向布置 3个纵 向探测角 度 图 2 与巷道顶板呈 4 5 。 夹 角向前 方顶板探 测 、正前方探测 、与巷道底板呈 4 5 。 夹角 向前方底 板探测 ，1 4个水平探测方 向共计 4 2个测 点数据。 根据现场条件、探测 目的和矿方的需要 ，可增加或 减少探测方 向或调整探测角度 。 U yU 0 。 迎 头 I 左 右 帮 帮 图 1 瞬变 电磁法探测方 向示意 向 图2 瞬变电磁法探测角度示意 2 ． 2 ． 2 矿 井震波超前探测技术 选用 K D Z 1 1 1 4 6 B 3 0矿用巷道地质探测仪 ，采 用人工锤击激发震源 ，2个接收传感器 检波器 。