淮南矿区槽波巷道超前探测试验研究.pdf

2019 年 12 月 Dec., 2019 0引言 断层是影响煤矿生产效率与安全的最主要地 质因素，断层的存在不仅破坏了可采煤层的完整 性、 减少煤炭资源储量和降低了采掘效率， 同时带 来了严重的安全隐患， 如顶板、 突水事故等。随着 淮南矿区 A 组煤层的开采， 灰岩承压水水压不断 增加， 突水的潜在危险性也随之加大。 淮南矿区水 文地质条件极为复杂， 防治水工作难度极大， 而其 主要原因就是对于主要的导水通道 （断层） 不能实 行有效的探测，迫切需要对掘进工作面前方及未 来采煤工作面内的断层进行高精度的探测，这也 是国内外至今没有得到有效解决的煤矿科技难题 之一，长期以来一直作为重要的研究领域进行不 断的攻关和探索。目前对于工作面内的构造等的 探测方法主要是地球物理勘探方法，常用的有三 维地震勘探、 井下瞬变电磁、 井下直流电法等。但 由于方法本身或应用条件的限制，效果远不能满 足实际生产与安全的需要，迫切需要开展新的方 法、 技术的研究与开发， 大幅度提高掘进工作面前 方及两侧断层的探测精度，以确保煤矿的安全生 产。淮南矿区首次尝试性地开展槽波巷道超前探 测试验研究。 1槽波地震探测原理 1.1槽波的形成 煤系地层中， 煤层是一个低速地震槽。 煤层与 其顶底板围岩相比具有低速度、 低密度、 波阻抗低 的特点， 煤层与围岩间的界面， 一般呈现良好的反 射面。 在煤层中激发地震波， 所激发的纵波 （P 波） 和横波 （S 波） 以震源为中心， 以球面体波向四周 传播， 而以不同的角度入射到顶底板界面， 如图 1 所示。 当入射角小于临界角时， 除部分能量反射回 煤层中， 大部分能量将透射到围岩之中， 返回到煤 层中的能量， 在煤层中来回多次反射， 多次透射而 迅速衰减。 当入射角大于等于临界角时， 则入射到 顶底板界面的地震波能量将全反射回到煤层， 并 在煤层中多次反射， 禁锢在煤层之中， 在煤层这个 低速槽内向外扩散传播。 其中上行、 下行波在煤层 中相互干涉迭加， 多数谐波成分相互抵消削弱， 而 逐渐消失， 只有满足一定条件的各种谐波， 相对增 强， 在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波， 在煤层内不断向前传播形成槽波咱1-3暂。 1.2槽波巷道超前探测 槽波勘探分为透射法勘探和反射法勘探 2 大 类。反射法勘探适用于在同一条巷道内激发并在 同一条巷道内接收， 以探测巷道前方、 后方、 两侧 煤层内的构造情况。 槽波反射法原理如图 2 所示。 槽波反射可以通过反射波特征来分析断层的位 置、 落差情况， 并可以根据槽波振幅的有无、 强弱 doi10.3969/j.issn.1672-9943.2019.06.058 淮南矿区槽波巷道超前探测试验研究 （1.淮南矿业 （集团） 有限责任公司， 安徽 淮南 232001； 2.常州泽南软件科技有限公司， 江苏 常州 213200） ［摘要］ 淮南矿区逐步转向深部开采， 底板灰岩承压水突水的潜在危险性随之增大。隐伏构 造是隐蔽制灾的关键因素， 为了预测巷道掘进过程中前方及两侧隐伏构造情况， 为 工作面安全布设及开采提供地质保障， 在已有巷道内开展槽波巷道超前探测试验。 试验在巷道两侧帮分别布设炮点和检波点， 对观测系统、 药量、 钻孔位置、 钻孔孔深 等进行试验， 试验采集到了高质量的断层反射槽波， 成像结果与揭露情况吻合。 ［关键词］ 槽波； 超前探测； 隐蔽制灾 ［中图分类号］P631.4［文献标识码］B［文章编号］1672蛳 9943 （2019） 06蛳 0154蛳 03 图 1槽波的形成原理 透射 炮点 透射 反射 反射 滑行波 滑行波 顶板 煤层 底板 能 源 技 术 与 管 理 Energy Technology and Management 2019 年第 44 卷第 6 期 Vol. 44 No.6154 2019 年 12 月 Dec., 2019 来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异 常，同时还可以通过对正常透射槽波的分析为反 射法数据处理及解释提供参数等，理论上探测范 围可达煤厚的百倍。 槽波巷道超前探测为槽波反射法勘探的一种 特例， 其主要目的在于探测巷道前方断层情况， 同 时也可以探测巷道两侧断层， 原理如图 3 所示。 图 3 中所示 F1、 F2、 F33 条断层， 为断层与巷道相交的 3 种情形， F1、 F3与巷道斜交，夹角小于 90毅， F2断 层与巷道垂直， F1、 F3走向与巷道对称。图 3 中展 示了 2 炮 18 个检波点的反射模拟， 通过炮点检波 点对断层的反射模拟可以看出，有效反射段随着 夹角的增大而变小， 表明勘探的难度在逐渐增加， 当断层与巷道垂直时， 有效反射段仅为一个点。 由 于槽波超前探主要探测巷道前方的断层，与常规 槽波反射法勘探相比， 难度更大。 2超前探测试验 2.1概况 选择在淮南张集煤矿 1612A 工作面已有巷 道内开展试验。 由于 1612A 工作面北侧 1611A 工 作面巷道已经掘成，穿越其巷道的断层情况已基 本查明， 结合该工作面下方岩巷掘进情况， 工作面 内的大断层也基本可以确定。 因此， 选择在 1612A 工作面的顺运巷内进行槽波巷道超前探测试验， 探测前方 100 m 范围内已有的 2 条断层情况。 2.2观测系统 为了试验不同观测系统对勘探效果的影响， 本次试验中采用了 2 种观测系统。第 1 种观测系 统在巷道左右侧帮均布置 12 个检波点，共 24 道 接收， 编号为 G1G24， 在第 1 种观测系统下设置 7 个炮点， 编号为 S1S7； 第 2 种观测系统在巷道左 侧帮布置 24 个检波点， 共 24 道接收， 在第 2 种观 测系统下设置 5 个炮点， 编号为 S8S12。观测系统 设置如表 1、 2 所示。 本次试验中测试了药量对采集效果的影响。 在前期的炮点中采用药量 110 g， 激发 4 炮后采用 150 g， 对比发现， 药量 150 g 接收的单炮记录质量 更好， 因此后面的炮点全部采用药量 150 g。 同时， 本次试验也测试了炮点孔深对采集效果的影响， 方法与药量试验类似， 对比发现 4 m 孔深和 2.5 m 孔深效果差别较小， 因此采用 2.5 m 孔深。 2.3试验数据 本次试验中共激发 12 个炮点，采集到了 12 张单炮记录， 单炮记录总体质量较高， 部分记录中 反射波清晰，可直接从单炮记录中初步推断断层 的分布情况。 第 10 炮、 第 11 炮经预处理后的单炮 记录如图 4 所示。 在 150 ms 下方出现一组明显的 反射波同相轴， 判断为断层反射波， 反射波同相轴 与直达波槽波同相轴视速度大小相近， 方向相同， 是典型的巷道前方有近似垂直断层的表现。 表 1第 1 种观测系统 炮 号 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 药量 /g 110 110 110 110 150 150 150 孔深 /m 4 4 4 2.5 2.5 2.5 2.5 钻孔 位置 左 左 左 左 右 右 右 钻孔 方向 底板平钻 底板平钻 底板平钻 底板斜向下 底板平钻 底板平钻 底板平钻 接收排列 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 14耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 左侧帮 1耀12 道 右侧帮 13耀24 道 表 2第 2 种观测系统 炮号 S8 S9 S10 S11 S12 药量 /g 150 150 150 150 150 孔深 /m 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 钻孔位置 右 左 左 左 左 钻孔方向 底板斜向下 底板斜向下 底板斜向下 底板斜向下 底板斜向下 接收排列 左侧帮 1耀24 道 左侧帮 1耀24 道 左侧帮 1耀24 道 左侧帮 1耀24 道 左侧帮 1耀24 道 图 2槽波反射法探测原理 炮点 检波点 断层 煤巷 图 3槽波巷道超前探测断层原理 F3反射段 F1反射段 F2反射段 F3 F2 F1 迷失 检波点 炮点 赵伟， 等淮南矿区槽波巷道超前探测试验研究155 2019 年 12 月 Dec., 2019 2.4数据处理 （1） 绕射偏移法。 绕射偏移处理是建立在射线 理论基础上，使反射波自动偏移归位到其空间真 实位置上的一种方法。叠加剖面是 “自激自收” 剖 面， 只有当界面水平时才能正确成像， 一般都将带 来剖面构造形态的畸变， 通过绕射偏移， 可以使倾 斜界面正确归位， 呈现正常的构造形态。 单炮记录经预处理后直接进行绕射偏移的结 果如图 5 所示，图 5 中箭头指示的即为本次解释 的断层 CH-F1。 （2） 椭圆画弧偏移。 椭圆画弧偏移的原理和绕 射偏移原理一致， 只在偏移对象上有所区别。 在进 行椭圆画弧偏移之前，首先在单炮记录上拾取反 射波的同相轴，拾取的同相轴时间经过时间深度 转换后建立椭圆方程， 直接画出椭圆， 多个椭圆相 交处或相切处即为断层。炮点 S11、 S6单炮拾取的 反射波椭圆画弧偏移结果如图 6 所示。 图 6 中， 左侧为炮点 S6单炮记录拾取出反射 波同相轴， 右为炮点 S11经椭圆画弧偏移后分别解 释出断层 CH-F1和 CH-F2。 2.5试验成果 对比分析 2 种方法处理结果，结合地质资料 分析，本次槽波探测试验共解释 CH-F1和 CH-F2 条断层， 如表 3 所示。断层 CH-F1距离巷道迎头 约 82.7 m，由于处理过程的时深转换采用的是估 算速度，误差约 510 m；断层 CH-F2距离迎头 188.2 m， 误差约 1015 m。 断层的落差主要依据单炮记录中反射波能量 的强弱， 叠加剖面中的反射波同相轴特征来判断。 推测 CH-F1断层落差约为 2/3 倍煤厚， CH-F2断 层落差约为 1/2 倍煤厚。 3结论 （1） 淮南矿区首次进行槽波巷道超前探测试 验， 试验采用 24 道接收， 激发 12 个炮点， 系统的 试验了观测系统、 炮点的孔深、 炸药药量等参数对 反射槽波的影响，在试验基础上采集到了高质量 的反射槽波。 （2） 试验采取了绕射偏移和椭圆画弧 2 种处 理方法， 解释出 CH-F1和 CH-F22 条断层。与巷 道的揭露情况对比， CH-F1偏差 510 m、 CH-F2 偏差 1015 m， 可以满足生产的需要。 （3） 试验表明， 槽波巷道超前探在淮南矿区具 有良好的探测效果， 可用于掘进巷道的超前探测， 并可探测出巷道前方 150 m 范围内与巷道成大角 度交角的断层。 ［参考文献］ ［1］刘天放， 潘冬明， 李德春.槽波地震勘探 ［M］ .徐州 中国 矿业大学出版社， 1994. ［2］何文欣.槽波波速 CT 成像技术及其应用 ［J］ .矿业安全 与环保， 2017， 44 （1） 49-52． ［3］凌春霞.槽波地震勘探技术在工作面采前探测中的应 用 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （1） 109-112. ［作者简介］ 赵伟 （1960-） ， 男， 正高级工程师， 毕业于安徽理工大 学， 现任淮南矿业 （集团） 有限责任公司副总工程师， 主要 从事地质防治水技术工作。［收稿日期 2019-10-21］ 图 4第 10 炮 S10（左） 、 第 11 炮 S11（右） 预处理后单炮记录 图 6炮点 S11、 S6单炮拾取的反射波椭圆画弧偏移结果 表 3槽波探测试验解释断层 断层名称 CH-F1 CH-F2 迎头距离 /m 82.7 188.2 落差 约 2/3 倍煤厚 约 1/2 倍煤厚 走向 / （毅） 141.7 40.0 可靠程度 较可靠 较可靠 （a） 第 10 炮（b） 第 11 炮 道号 时间 /ms 1112111121 150 300 150 300 反射波 反射波 图 5单炮记录绕射偏移结果 CH-F1 迎 头 位 置 右侧帮S8 S12 S9 G1G7G16G24 左侧帮 CH-F1 迎 头 位 置 右侧帮 左侧帮 S11反射波 画弧 S8 S12 S9 G1G7G16G24 G3 Y3 Y4 -570 能 源 技 术 与 管 理 Energy Technology and Management 2019 年第 44 卷第 6 期 Vol. 44 No.6 道号 时间 /ms 156