地质超前探测仪在地质构造探测中的应用.pdf
第 40卷专刊 煤 炭科 学 技 术 Vol . 40Special 2012 年 3 月CoalScienceandTechnology March2012 地质超前探测仪在地质构造探测中的应用 解 振伟, 王铁记 ,赵小峰 (冀中能源峰峰集团有限公司科技发展部,河北邯郸 056 200) 摘 要 为了探测掘进巷道前方150m范围内的断层、陷落柱 , 经过对各种方法的研究、 筛选,最 后采用地震勘探技术,通过对井下地震波传播规律的研究 , 使用 DTC - 150 防爆地质超前探测仪, 经过多次井下试验 , 不断优化观测系统。 总结出 了 一 套针对峰峰集团公司所属各矿煤岩巷进行超前 探测的方法及参数,准确快速地给出掘进巷道前方 150m以内的构造情况 , 可有效避免因掘进前方 存在导水断层和陷落柱而造成的水患的发生,为安全、优质、高产高效生产 创造了条件。 关键词 掘进巷道前方 ;地震勘探技术;超前探测; 水患发生 中图分类号 TD166 文献标志码 B 文章编号 0253 -2336 ( 2012 ) S0 -0 101 -04 Aplicationof Geological AdvancedDetectorin GeologicaStructure Detecting XIE Zhen-wei , WANG Tie - j i , ZHAO Xiao -fen g (Technology DevelopmentDepartment ,Jizhong EnergyFeng fengGroupCorporationLtd . , Handan056200,China) 峰峰煤田属石炭二叠系煤系地层,共含煤 7  ̄ 道的侧帮)用小药量激发产生。地震波在煤岩体 18层 ,可采煤层 7 层,多 层煤层的顶板和煤系地中以球面波形式传播 。当地震波遇到煤岩体物性界 层的基底为石灰岩,普遍发育的岩溶裂隙、导水陷面(即波阻抗差异界面 ,例如断层、岩石破碎带 落柱及导水断层时时 刻 刻威胁着煤矿的安全生产。 和陷落柱等异常)时, 一部分地震 信号反射回来 , 随着开采深度的增加,这种威胁日益加大。针对峰 一部分信号折射进人前方介质 。反射的地震信号将 峰集团公司所属各矿地质构造复杂水害严重,每年被高灵敏度的3分量( X 、 7 、 Z方向 ) 地震检波 为防止断层和陷落柱出水,需要进行大量的钻探工器接收,如图 1 所示。反射信号的旅行时间和反射 作 ,费时费力效率低。冀中能源峰峰集团有限公司 界面的距离成正比,故能提供 一种 直接的测量。 和中 国煤炭科工集团重庆研究院合作,经过对各种 Lmax 方法的研究、筛选,最后应用地震勘探技术,使用 -^5 3 1 5m 重庆研究院开发研制的 DTC - 150防爆地质超前探 介质 y 测仪。经过对观测系统、孔深和装药量的研究、反 复试验、多次探测,总结出了 一套适应峰峰集 团公 司所属各矿煤岩巷超前探测的方法及参数,准确快 射& 速地给出掘进巷道前方 150 m以内的构造情况 ,可 A 有效避免因掘进前方存在导水断层和陷雜而造成 炮检距; S「发射点 二 = 1 ’ 2 ’ ’ 24;fi -接收点 的各种损失和水患的发生 ,为矿井的安全、高产高 l 了IfK 地震检波器接收到的信号中,只有从巷道掘进 面前方和侧面反射回来的信号才包含有关前方岩层 1地质探测仪工作原理 的信息。接收的反射波中,从前方接收到的反射波 DTC - 150 防爆地质超前探测仪采用的是 反射 越迟到达,则起爆点距雛面的距离越远。而直达 地謙方f e。地鎌翻細震源点 (通常在# 波的斜率正好与反射波相反’炮检距越小则所接收 收稿曰期 2012-01 -19 ;责任编辑 曾康生 作者简介解振伟(1965 _ ),男, ' ;可北邢台人,高级工程师。 Tel 0310 -56W8 39 , E -ma il460231905@ qq . com 101 2012年专刊 堞岌科学技术 第40卷 到的信号越早。由测得的从震源直接到达传感器的r, -..--- 纵波传播时间换算地震波的传播速度由以下公 ^ 掘进面 式计算所得 FfX/r , ,其中不 为爆破孔与传感 器的距离, m ; r 丨为直达 纵波的传播时间 , S。 已 图2炮点置于掘进面近端的 多炮单收系统 知地震波的传播速度就可以通过测得的反射波传播 体是均匀各向 同性的,分析各种可能排列 P 观测系 的时间八推导出反射面与接收传感 器的距离以及 统中各种类型地震波的时距关系如图 3所示。 与巷道掘进面的距离,整个推导 过程可由下式导 I 出 r 2 = U2+Z3 ) /F p = (2&+X , ) /F p ,其中, 进面 / u分别 为爆破孔 、传感器与反射面的距离 , m 。对于振动测量来说最大的困难不是上述的数学 # 运算 ,而是在准确 判定反射事件的基础上给出反射 / 1 波的传播晒。而准确判定反射事件的前提是通s 3 某种方式将反射波从含有直达波和其他的干扰信号 1 )直达波。由图 3可知 ,从近炮检点到远炮 的总体混合信号中清楚地分离出来。与直达波相比 检波点,各道地震记录直达波到达的旅行时随坐标 反射波的娜非常小,它 -施職于蹄雜与 狀酿綱 ,时賴划晒 4 巾随线夂 传感器的距离,另 一方 面取决于地震波在反射面的 距离/m 〇 102 0304050 60 7080 反射系数。 DTC - 150 防爆地质超前探测仪为本质安全型 20 - 设备。将小药量爆炸作为激发震源 ,不受井下金属 体、电缆干扰。采用触摸控制,操作非常简便。采 |巧 集数据量大、资料处理简单、结果直观易于解释、 70 - 夕 a 探测距离大等。超前探测距离可达 150 m。 DTC - 1 〇 150 防爆地质超前探测仪主要由主机 、信号线 、 信 1Qi 号盒、三分量传感器、传感器套管和附件组成。 图4 时距曲线 o 2 )掘进面前力 反 射波。各检波器都接收到掘 2條离超則探测1作方5去 颜前方反射界面 A 的反射信息 。从图 3可看出 , 2.1 观测系统优化设计 而从反射界面 4 到检波点,各反射波传播的时距 巷道超前探测属反射地震勘探方法,巷道超前都是基本相等的,即所用 时间基本相等 ;从各震源 探测波県是全眍间的球面波,仪器所采集到的信号到反射界 面眎地震波传播的距离是随坐标眏的增 比眐复杂。要超前探测掘进面前方的地质体构造及加而减小,所用时间在减少 , 因此 ,从近炮检点到 岩性特征,其信息主要包含在反射波里面 ,因此应 远炮检点,掘进面前方反射波的旅行时间是随坐标 设计出 一种 观测系统能非常有效地把含有掘进面前 眏增加而递减的,如图 4 中的曲线a。 方的反射信号体现出来,或使掘进面前方的反射信 3 )巷道侧 帮反射波。检波器接收反射界面 S 号非常容易地从其他干扰信号中分离出来。 附近区域的反射信息。从图3可知 ,波県几何关系 针对峰峰矿区地质构造复杂、很多断层和陷落 与常规地面反射地震勘探的水平构造体反射时距关 柱导水等不同于其他矿区的特点,以及煤矿巷道超系相同,其时距曲线是双曲线,且从近炮检波点到 前探测的特殊性 ,从增大采集数据量、安全方便操 远炮检波点 ,巷道侧帮的反射波的旅行时间是随坐 作和数据 一致性好坏 的原则出发,选取炮点 置于掘标眏增加而递增的,如图4中的曲线6。 进面近端的多发单收系统作为峰峰集团所属各矿的 4 )掘进面后方反射波。检波器接收到掘进面 煤矿巷道超前探测的观测系统。 图 2所示 。 后方反射界面 C附近区域的反射信息。 从图 3 可 下面假设掘进面前方 、后方及巷道侧帮各有 一 看出,从反射界面C到检波点的距离都是基本相 个构造体,且假设震源和检波点到 构造体这段地质等的,所用时间基本相等 ;而从各震源到反射界面 10 2 解振伟等地质超前探测仪在地质构造探测中的应用2012年专刊 C 的距离 随坐标眏的增加而增加,所用 时间在增道地震波质量眐差 ,舍弃。其余道的地震波基本可 大, 因此,从近炮检点到远炮检点 ,掘进面后方反用,地震波原始波形如图 7所示 。 射波的旅行时间是随坐标眏增加而递增的,如图 4 中 的曲线 c。 〇 1416 20 2 4 2832 3640 4448 52 2.2 适合峰峰矿区的观测参 数及方 法 4 _ f 先后试验多发单收观测系统的多组参数组合, . 药量分别删了 30 、 50 、 75 、 100 和 150 g 乳化炸 ^ "f iWXii I ^ 药,激发雷管分别选用了瞬发、 2 段和 4段电H^ 4 〇 馨 3灘静 ^賊 管 ,孔深分别试验了 0. 5 、 1.0 、 1 .5 和 2.0〇 垂直 h 深度,最小炮间距分别试验了 1 、 2 和3 m ,最小 36 衫 炮检距分别试验了 6 、 12 、 16 和 2〇 m 。通过对药 iliulmUf iH ry 量、激发雷管、孔深、炮间距、炮检距等参数的不 图7地震波原始 波形 同设置对比试验,最终确麵合騎矿謂超娜 麵I结颗麵时酬麵施雛置,从探 测结果看,在探麵围内存在地质异常体界面,即 h 16 _ 2 3X1 .5 m .卜 3j^ 在掘进面正前方42 1 00m处存在眐强反射界面 , 〇 oooooooooooooooooooooooo,--1 推断为断层影响 ,且有含水 (图 8) 。 接收孔 炮孔24号 321号掘进面 、、__巷道走向距离 /m 图5 峰 峰矿区超前探测观测 系统示意 _ 〇 204 06 08 010 0 12 0 14016 0180 200 1 ) x见测系统参数。药量5〇 g,激发雷管为 瞬 e 发电雷管,最小炮间距 1 .5 m ,最小炮检距 16 m , ^ 炮孔 24 个,深度 1 .5 m , 高度 1 m ,孔径 42 mm , ^ 接收孔 1个 ,深度 2 m ,高度 1 m ,孔径42 mm。 陋 20 2 )准备材料。瞬发电雷管 24 发,乳化炸药 40 Rf ) L^ v^ ' 51_二二,W 1」三 1.2 kg ,封孔炮泥若干(至少2麻袋),能封堵24 个炮孔0 .6 m以上 ,速凝锚固剂6支,辅助材料为 ffi8 喷漆、皮尺、粉笔。 验证结果表明采取相应的安全措施,通过对 3 )现県工作步骤。①布置炮孔、接收孔,按 地质异常体进行钻探验证 ,在探测正前方 52m处 观测系统要求 布置24个炮孔和 1 个接收孔;②打 见 一导水断层 。 孔,按观测系统要求 打孔 ;③装药 ,每个炮孔 按 3 .2 羊渠; ' 可矿超前探测J 5〇 g药量装药 ;④封 孔,用炮泥封堵 24 个炮 孔 现県在侧 ^布 置多个炮孔和 1 个接收孔’炮孔 0.6m以上 ;⑤数据采集,逐炮起爆24炮,同时 间距为 1.5m ,高度为 1.0m ,如图 9所示 。 采集数据;⑥24号炮起爆完成,现県工作结束 。 [CKKK>〇〇〇〇〇〇〇〇 〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇 -二 掘进面 炮孔 接收孔 3 超則探测头例 图9现県工作 布置示意 3 . 1梧桐庄矿 18231 1回风巷超前探测 由于受雷管段数及延时误差的影响 ,数据质量 现県在侧帮布置多个炮孔和 1 个接收孔,炮孔眐差,只有 一部分数据基本可用 ,增加了探测结果 间距为 1. 5 m ,高度为 1 m ,如图 6 所示。的误差。地震波原始波形如图 10所示 。 , 探测结果以探测 时的掘进面为起始位置。受雷 I 〇〇〇〇 ■〇〇〇〇〇■〇■〇 〇〇〇〇〇〇〇〇 〇〇〇〇〇-〇 掘进面炮孔接收孔 管段数及延时误差的影响,增大采集数据的误差。 图6现 県工作布置示意 从探测结果看 ,在探测范围I内存在明显的地质异常 由于受现県干扰醜影响,第 4 、 20 、 21 、 23 体界面。棚进面正刖方 42 100 m反射界面眐 多、物性参数变化眐大,推断为陷落柱或破碎带影 103 2012年专刊 堞炭科学故术 第 4〇卷 距离/m 止作业,减小振动干扰。 141620 242 83 236404 448 52 40 | | j I " j ' l j| | n 6峰峰矿区超前探测效果 6〇 - g 通过峰峰矿区梧桐庄矿 、新三矿、羊渠河矿、 8〇 |_ 小屯矿、黄沙矿、万年矿应用长距离超前探测技术 霄^ 进行大量的探测’从揭露验证资料来看’采用针对 E i〇 〇4^ i i4 LMipiif 峰峰矿区复杂地质条件的超前探测观测系统,长距 离超前探测技术适用于探测峰峰矿区复杂地质条 12〇l iM^iiin 件 、很多幅麵雜导水等物健异变化的地质 图 10 地震波原始 波形 异常体 ,实现探测距离 100  ̄ 150m ,井下工作时 (S n ) 〇 间 2  ̄ 3h 。探测结果及验证情况如下 t 1 )梧桐庄矿 311回风巷42m处出现断层 02 0406 08010 0 120 140160 18 02 0 0 并含水,验证方式为钻探,在 52m 处见断层、导 4〇 〇 [^^S ' 水,所采 2号煤 ,验证结果基本正确。 I 2 0 -/ 2 )梧桐庄矿四采回风巷 16 18 、 90 -97 m 处 ^ q ; * 4 - 出现断层,验证方式为巷探,在 15 、 105 m处见断 B 2〇 层,所采2号煤,验证结果基本正确。 4〇 p 3)新三矿2309联络巷61 68 m处出现断层 并含水,验证方式为钻探,在58 m处见断层 、导 图 1 1 地震波偏移 水,所采 2号煤 ,验证结果基本正确。 验证情况表明与钻探验证情况相差 1 m。建 4 )羊渠河矿 8460工作面42 100 m处出现陷 议在今后的长距离超前探测工作中采用符合要求的落柱 ,验证方式为钻探,在 41 m 处见陷落柱 ,所 雷管,保证采集数据的质量,进 一步提高探测结果 采4号煤 ,验证结果 正确。 的精度和准确率。5 )小 屯 矿 14259工作面 30 32、56 6 3、 c 79 89 、 12 6 m处出现断层 ,验证方式为巷探,在 5注思的几 丨 丨。 77 、 131 ,处见断层 ,所采4号煤,验证结果 2 1 )炮检点应布置在 一条直线上 ,否则非纵观条小断层位置不准,其他基本准确。 测,会造成反射波同相轴追踪困难,由此出现的时 6 )黄沙矿 -50 0 m北大巷 ,未验证,所在位置 差在处理时无 法进行校正,会影响超前探测的准岩巷。 确性。 > 7 ) 黄 沙矿 - 500m北大 巷 7 15 、 53 65 、 2 )采集数据质量的好坏,直接决定探测结果 116128 m处出现断层 ,验证方式为钻探,在47 的准确性,因此控制好采集数 据的质量是 DTC - m 、 100 m处见断层 ,所在位置岩巷,验证结果 1 150 防爆地质超前探测仪探测工作的关键。与其他条基本准确, 1 条有 一定误差 。 地震方法 一样 ,其采集数据质量的好坏在很大程度 8 ) 万年矿南三野青探 巷10 13 、 22 26 、 上取决于地震波的激发和接收条件。激发条件是影60 66 、 102 1 16 m处出现断层且含水 ,验证方 响地震记录好坏的首要因素,可得到好的有效波的式为钻探,在 8 、 19 、 121 m处见断层 ,所在位置 基础条件, 主要包括炸药量、炮孔深度 、封孔质量半煤巷,验证结果 1条不准 ,其他基本正确 ,位 等因素,其中封孔质量决定着炮孔的激发质量。接置误差大。 收条件主要是检波器的埋置条件。因此 ,炮孔的封 9 )新三矿 -400 m下山的 34  ̄^4 、 71 、 150 孔质量、炸药药量、检波器与围岩的耦合质量关系 162m处出现断层 ,验证方式为钻探,在 75 、> 145 到采集数据的好坏,应特别 注意。为了保证观测质 m处见断层 ,所采 2 号煤,验证结果 1条不准 ,其 量和安全 ,这段时间内要求超前探测 测线附近应停 (下转第 108页 ) 104 2012年专刊媒岌 科学技术 第 4〇卷 7JC压的综合作用下,煤层底板隔水层的阻水能力明余隔水层底板的强度不足于抵抗奧灰含水层的高水 显降低 ,陷落柱内部结构也发生了 明显变化 ,即由压,在采动应力 和底板奥灰含水层高水压的综合作 原来的胶结状态逐渐转变为裂隙和裂隙扩张状态, 用下,奥灰含水层水自然而然地通过此时已经受到 陷落柱内部及其周边的渗透性也明显提高 ;下部的扰动过的导水比眐畅通的陷落柱通道进人开采眍 奥灰水沿着陷落柱裂隙向上发展,首先补给煤系薄间,从而发生奥灰含水层特大突水。 层大青灰岩含水层, 4号煤至大青灰岩顶面隔水层 综上所述,九龙矿 15423N野青工作面发生特 厚度75 m ,承受大青含水层水压 8. 58 MPa ,由于大突水事故,是在隐伏导水通道、高水压和采动应 隔水层强度抵抗不了下伏大青含水层的高水压,而力的共同作用下,引起隔水底板厚度减小、强度降 发生工作面大青含水层突水,大青含水层水位急剧低,致使高压奥灰水沿导水通道突破工作面底板形 下降,由于大青含水层裂隙不发育 ,奥灰含水层通 成集中导水通道而引发的奥灰含水层特大突水。 过陷落柱补给大青含水层的通道并不畅通 ,补给受 到很大的限制且陷落柱距工作面还有 一定的距离 , 煤层底板也有 一定的阻力 ,显然工作面底板突水量 ⑴关永强 . 冀中能源峰峰集团九龙矿 1542州工作面隐伏陷落 比眐小,且随工作面停采顶板垮落, 工作面底板重 柱突水原因分析及突水治理 i C ] //河北省煤炭行业总工程 新受压,裂隙逐渐闭合,采动影响逐渐减弱直至停 止,底板突水量逐渐减少且趋于稳定。煤系薄层大 [2]李志明 大 采深高承压矿井水文条件分析及防 治水技术 青含水层水位也迅速恢复,而奥灰含水层水位表现[J] . 煤炭科学技术 , 2010 , 38 ( 9 ) 104 - 107. 。 [3]李连崇,唐春安,左宇军 ,等 . 煤层底板下隐伏陷落柱的 15423N工作面第1次突水24d后 ,涌水量逐 滞后突水机理[J] . 煤炭 学 报 , 2〇〇9 , 34 ( 9 ) im - 步稳定在90 m 3 /h,后工作面继续推采 ,当工作面 1216 _ ^^, , L [4]关永强 峰峰集H九龙矿 15423N工作面特大突水原因剖析 推进了 18 m ,至陷落柱&獅 , 工作面发生第2 [ C]//河北省煤炭行业总工程 师会议文集. 河北省煤炭 行 次突水,由于工作面已邻近陷落柱且陷落柱内部结 业总工程师座谈会 ,合肥, 201 1 272 -283 . 和 已到了的 , 目此时丁  ̄ 作面 1 正位于陷落柱斜上方 ,距离陷落柱导水通道眐近, (上接第 104页 ) 隔水层薄、水压高,此时工作面底板正处于底板应 他基本准确。 力卸压带内。 4号煤至陷落柱顶面隔水层厚度41_5 10)梧桐庄矿18230 4运输巷岩性变化 ,验证 m ,承受奥灰含水层水压 8.76MPa ,因此此次工作 方式为巷探,未见断层,所采2号煤,评价结果 面突水峰眏涌水量达 720m 3 /h ,稳定涌水量约 360 基本正确。 m 3 /h ,后随工作面停采,顶板垮落,工作面重新 从峰峰矿区超前探测 10次的揭露情况来看 , 受压 ,涌水量逐渐减小到90 m 3 /h。 受雷管段数及延时误差的影响,增大了采集数据的 15423N工作面第2次突水445d后 ,涌水量 误差,部分小断层的探测结果误差稍大。总体探测 逐步稳定在90 m 3 /h ,在做了大量水 文地质工作 结果眐理想,能眐好地探测断层、陷落柱及其导水 后,于2009年 1月1日工作面继续推采 ,推过陷 性。因此 ,可以肯定,长距离超前探测技术是有效 落柱 35m时 ,发生 15423N工作面滞后特大奥灰 可行的,能够满足峰峰矿区复杂地质条件、很多断 含水层突水。由于 15423N工作面此次重新开采前 层和陷落柱导水超前预报的需要 ,是峰峰集团各矿 将整个工作面分为了 2 个小面且采用对拉的开采方 高产高效地质保拊体系 的主要技术手段之 一 。 式,工作面顶板悬顶面积小,降低了采动应力 ,能 有效防止底板突水,当工作面推过陷落柱 一定距离 达35m时,悬顶面积达到垮落时,工作面支承应[ 1 ]熊翥 地震数据数字处 理应用技术 [M] . 北京 石油工 力达到最大,陷落柱正上方此时为采眍区,工作面 业出版社, 底板呈开放状态,隐伏陷落柱的存在将奥灰含水层 ⑵ S . 伊尔马滋 .地 震资 料 地震资料 处理、反演和解释 ^ [M] . 北京石油工业出版社 , 2006. 作用在煤层底板隔水层的距离缩短了68.5m ,剩 108