基于面波的巷道揭煤超前探测试验研究.pdf

第4 5 卷第6 期 2 0 1 7年 6月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 45 No ． 6 J u n e 2 0 1 7 基于面波 的巷道揭煤超前探测试验研究 郭来功 ， 戴广龙 ， 杨本才 ， 欧阳名三 1 ． 安徽理 工大学 电气与信息工程学 院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．安徽理工大学 能源与安全学院 ， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 为实现对揭煤巷道前方煤层界 面的探测， 研 究面波在巷道 中的速度变化 ， 以潘二煤矿为例， 利用 面波具有能量强， s波遇不连续界面反射的特点， 开展 了地震波超前探测的试验研 究。通过分析巷道面 波在巷道中的传播特征和对激发震 源的要求， 使用可控震源激发巷道 面波、 微震监测 系统连续记 录； 利 用面波在巷道中的走时， 应用直达波和反射波的时间差计算巷道面波和 s波速度 ， 实现掘进工作面与煤 层距 离的计算。试验结果表明 地震波超前探测法可以准确探测巷道掘进X - ． 作面与煤层界面的距 离， 与 钻探距离相比， 测量误差不超过 O ． 5 m， 可为石 门揭煤前地质构造探测提供一种新途径。 关键词 巷道面波 ； 超前探测 ； 可控震源 ； 石 门揭煤 中图分类号 T D1 6 6 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 7 0 6 - 0 2 0 1 - 0 6 Ex p e r i m e n t a l s t ud y o n a d v a n c e d de t e c t i o n i n un c o v e r i ng c o a l t u nn e l ba s e d o n t un ne l s u r f a c e wa v e Gu o L a i g o n g 一， Da i Gu a n g l o n g ， Ya ng Be n c a i ， Ou y a n g Mi n g s a n。 1 ． S c h o o l o fE l e c t r o n ic a l ly a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g， A n h u i U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o fMi n i n g a n d S a f e ty E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o 厂 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Abs t r ac t I n o r d e r t o r e a l i z e t he d e t e c t i o n o f t h e c o a l s e a m i n f r o nt o f h e a di n g f a c e， a n d r e s e a r c h o n t he v e l o c i t y c ha n g e o f t u nn e l s n rfa c e wa v e i n r o a d wa y， t he a u t h o r s c ho s e n Pa n e r Mi n e a s t h e t e s t e d mi n e， t o o k a d v a n t a g e o f t he c h a r a c t e r i s t i c s wh i c h s a l a e e wa v e c a r r y s t r o n g e n e r g y a n d S wa v e r e fl e c t i o n i n d i s c o n t i n u o u s i n t e rf a c e ， c a r r i e d o u t a 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 e x p e r i me n t ． T h e a u t h o r a n a l y z e d t h e pr o p a g a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f s u rfa c e wa v e a n d t he r e qu i r e me n t o f s o u r c e， a nd us e d v i b r o s e i s t o g e n e r a t e d t un ne l s u rfa c e wa ve i n u n co v e r i n g c o a l t u n n e l ， mo n i t o r i n g o f wa v e v e l o c i t y c o n t i n u o u s l y ． T h e u s e o f t u n n e l s u r f a c e wa v e t r a v e l t i me， a n d t i me d i f f e r e n c e b e t w e e n d i r e c t a n d r e fl e c t e d w a v e s ， t o c a l c u l a t e t h e v e l o c i t y o f S wa v e a n d t u n n e l s u r f a c e w a v e ， t h e r e b y， w e c o u l d me a s u r e t h e d i s t a n c e b e t we e n t h e t u n n e l f a c e a n d t h e c o a l s e a m． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e t u n n e l s u r f a c e wa v e a d v a n c e d d e t e c t i o n c o u l d d e t e c t t h e d i s t a n c e b e t w e e n h e a d i n g f a c e a n d c o a l s e a m a c c u r a t e l y． t h e me a s u r e me n t e r r o r w a s n o t mo r e t h a n 0 ． 5 m c o mp a r e d w i t h t h e d r i l l i n g ；i t c o u l d b e e x p e c t e d t o p r o v i d e a ne w wa y o f g e o l o gi c s t r u c t u r e d e t e c t i o n i n r o c k c r o s s c u t c o a l un c o v e r i n g． Ke y wor ds t u nn e l s u rfa c e wa v e；a dv a n c e de t e c t i o n；v i b r o s e i s；r o c k e r o s s c ut c o a l un e o v e r i n g 0 引 言 地震波超前探测可在不破坏巷道前方和周围岩 石完整性的情况下 ， 实现断层 、 破碎带等异常体 的超 前探测 ， 它克服 了钻探 探测 时钻孔费用和场地要求 等限制 ， 而且不影响施工进度 引。 目前对巷道进行超前探测的研究 中， 一类是监 测地震波体波的 ， 使用炸药和综掘机噪声作为震源， 将传感器放置在巷道壁后方 ， 根据 P波和 s波 的走 时来计算巷 道前方的异常体。该方 法包 括 S S P法 S o n i c S o fl g r o u n d P r o b i n g 和 T S P法 T u n n e l S e i s m i c P r e d i c t i o n ； 澳 大 利 亚 的 H i a fl a u G a l l e r y和 德 国 的 D i c k m a n n在隧道施工中进行研究和使用 ， 我 国在隧 道施工和巷道掘进中也对该方法进行大量深入的研 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 1 0 4 ； 责任编辑 赵瑞D OI 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 7 ． 0 6 ． 0 3 3 基金项目 国家 自 然科学基金资助项 目 5 1 5 7 4 0 0 9 作者简介 郭来功 1 9 8 0 一 ， 男 ， 河南邓州人 ， 副教授 。T e l 0 5 5 4 6 6 3 2 6 5 7， E- ma i l l g g u o a u s t ． e d u ． c n 引用格式 郭来功 ， 戴广龙 ， 杨本才 ， 等 ．基于面波的巷道揭煤超前探测试验研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 1 7 ， 4 5 6 2 0 1 2 0 6 ． Gu o L a i g o n g， Da i Gu a n g l o n g ， Ya n g B e n c a i ， e t a 1 ． Ex p e r i me n t a l s t u d y o n a d v a n c e d d e t e c t i o n i n un c o v e r i n g c o a l t u n n e l b a s e d o n t u n n e l s u r f a c e wa v e [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 7 ， 4 5 6 2 0 1 2 0 6 ． 2 01 2 0 1 7 年第6 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 5 卷 究 _ 4 ] 。另一类超前 探测使用面波 ； 刘盛东等 采 用瞬态瑞利波超前探测方法研究 了巷道前方地质异 常体情况 ， 通过多瑞利波的频散解释预测了巷道前方 煤层距离。文献[- 1 1 ] 深入研究了使用地震波在巷 道中进行超前探测。J e t s c h n y等 研究结果表明， 在 震源频率较高时， 巷道面波和瑞利波 的情况大致相 同 ； 同时比较了在软岩和硬岩时不同的泊松比下巷道 面波的典型特征。B o h l e n等 使用 2 ． 5 一 D和 3 - D模 型对巷道面波的速度与巷道直径的关系进行研究， 分 析了巷道面波 T u n n e l S u r f a c e Wa v e ， T S波 传播速度 与岩石的 S波速度的差别 ， 以及它们的比例与面波波 长和巷道半径的关系 ， 并在 N e u e r S c h l u c h t e r n e r T u n n e l 上成功进行了超前探测。笔者采用面波超前探测 系统对淮南矿业集团潘二煤矿 1 2 2 2 3回风联巷进行 面波超前探测试验 ， 利用 T S S T波 根据其路径命名 在巷道掘进工作面 由 T s波转换为 s波 ， 遇反射面返 回S波 ， 在巷道掘进工作面重新转换为 T s波 探测方 法， 并结合现场钻孔验证 ， 对面波应用于揭煤巷道 的 超前探测方法进行深入研究。 1 T S S T波超前探测 法 1 ． 1 巷道面波的激发与传播 巷道是嵌入地下的半封闭空间， 面波只能在巷 道围岩上传播 。受巷 道尺寸的限制 ， 震源激发产生 的面波在巷道壁上 的传播受到局限。在面波波长与 巷道直径 比值合适 的情况下 ， 可以清 晰地看到瑞利 波和 s波一 起在 整个 巷道空 间传 播 ， 即巷 道 面波 T S波 。在波长较短时 ， T s波具有典型的瑞 利波 特征 ， 波速在一定范围内与瑞利波速度接近 ， 粒子的 运动呈现椭圆偏振现象 ； 当波长 比巷道直径大很多 时， T s波呈现 S波的特征 ， 波速接近于 S波速 ， 粒子 运动垂直于巷道壁 ， 接近于线性偏振_ l j 。波长 A 与巷道直径 D的比值 为 1 B o h l e n等 给出了 变化时的面波相速度 与 S波速 的归一化 ／ V s 变化曲线 泊松 ￡ 0 ． 2 ， 如图 1 所示 。 ≤0 ． 6时 ， 面波相速度与 S波速 比值小于 O ． 9 6 ， 为典型的瑞利波 ； ≥1 ． 2时 ， 二者的 速度非常接近 ； 1 ． 5时 ， 地震波在巷道中为纯粹的 S波 ； 0 ． 6 1 ． 2时， 呈现的特征为 T S波。在给定的 巷道空间中， 这也是对超前探测所需的震 源激发 的 地震波的要求。 2 02 O O 98 9 6 9 4 9 2 9 0 图 1 不同 12 下的 V ／ 曲线 0 ． 2 F i g ． 1 c u r v e o f ／ l ／ 、 w i t h d i f f e ’e n t ／z 0 ． 2 揭煤巷道在设计时都选定力学特征完好 的岩石 中， 巷道直径是固定的， T s 波在其中的传播具有频 散特征 ， 其转折点标志着从瑞利波到 S波的转变 ， 表 明了表层岩性 的改变 ， 在揭煤巷道 中， 即巷道掘进工 作面的位置 。因此 ， 可以在揭煤巷道中改变震源 所激发的地震波中心频率 ， 控制 T S波的传播 ， 实现 对前方煤层的探测 。 为在揭煤巷道中获取 T S波， 将 A ／ T S ／ f代入式 1 ， 由 0 ． 6 1 ． 2 ， 可得 T 0 ．6 1 ． 2 2 整理 可得 ／ 0 ．6D ㈩ 。 ／一 3 其中， 为 T s波传播 速度 ； 为地震波 中心频 率。假设在硬岩 中 3 0 0 0 n v ／ s ， 泊松 比 0 ． 2 ， D8 n l ， 取 ／ v s 0 ． 9 ， 则 2 8 0 H z f g y ， 2 0 1 5 ， 4 3 1 1 1 6 1 1 9 ． 潘冬明 ， 李娟娟 ， 胡明顺 ， 等 多煤层的反射地震 响f 、 特性研究 [ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 1 0 ， 2 5 5 1 7 6 9 1 7 7 4 P a n D o n g mi n g ， L i J u a n j u a n ， Hu Mi n g s h u n ， e l a 1 ． S t u d y o f r e fl e e - t i o n r e s p o n s e 1o Mu h i l a y e r c o a l s e a ms ] ． P r o g r e s s i n g e o p h y s i c s ， 2 01 0， 2 5 5 1 7 6 9 一l 7 7 4 王振广 矿井震波超前探测在近 突出煤层 岩巷 掘进 中的应用 分析[ J ]中州煤炭 ， 2 0 1 3 1 1 2 5 2 7 W a n g Z h e n g u a n g ． A p p l i c a t i o n a n a l y s i s n n mi n e s e i s mi 。 p r e d i c t i o n i n r o c k d r ift s tu n n e l i n g c l o s e t o o u t b u r s t c o a l s e a m[ J ] ． Z h o n g z h o u C o a l ， 2 0 1 3 1 1 2 5 2 7 ． J e t s e h n y S， B o h l e n T， De Ni l D． 0n t h e p r o p a g a t i o n e h a r a c t e r i s t i e s o f t u n n e l s u r f a e e w a v e s fo r s e i s mic p r e d i c t i o n [ J J ． G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g ， 2 0 1 0 ， 5 8 5 2 4 5 2 5 6 ． Bo h l e ll T， l ,o r a n g U， Ra h b e l W ， e l a 1 ． R a y le i g ht os h e a r w a v e c o n v e r s i o n a t t h e tun n e l f a c e f r o m 3 D F D mo d e l i n g t o a h e a d of d r i l l E x i fl o r a t i n n l J ] ． G e o p h y s i c s ， 2 0 0 7 ， 7 2 1 2 6 7 7 9 ． P e n g Ya h， L u W e n b o， Mi n g ； h e n ． Co n t r i t mt i o n s o f i ns i t u s t r e s s t r a n s i e n t r e d i s t r i b u t i o n to b l a s t i n g e x e a v a t i o n d a n mg e z o o e o f d e e p t u n n e l s[ J ] ． R e e k Me c h a n i c s a n d R o c k E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 4 ， 4 8 2 71 5 7 2 6 ， Xu L i n g， S c h r e y e r Ho wa r d， S u l s k y， e l a 1 ． Bl a s t i n d u c e d r o c k lr m。一 l u r e n e a r a l u n n e l[ J ] ． 1 n te r n a t i l l i a l J o u ma l for Na m e r i a J a n d A n a l y t i e a l Me t h o d s in G e o m e c h a n i e s ， 2 01 5， 3 9 1 2 3 5 0 ． J e t s c h n y S t e f a n， B o h l e n T h o ma s ， Ku r z ma n n An d r e ． S e i s mi c I u d i c t i o n o f g e o lo g ic a l s t r u c t u r e s a h e a d o f I h e t u n n e l u s i n g s i i r f a e e w a v e [ J ] ． G e o p h y s i c a l P r o s p e c t i n g ， 2 01 1 ， 5 9 9 9 3 4 9 4 6 ． 井涌泉 ， 高红伟 ， 王维红 ． 二维各 向同性介 质 P波和 S波分 离 方法研究 【 』 ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 8 ， 2 3 5 1 4 1 2 一l 4 1 6 ． J i n g Yo n g q u a L ． Ga o Ho n g w e i ． Wa n g We i l a a l g ． T h e s t u d ,I ， f P wa v e s a n d S w a v e s s e p a r a t i o n i n t wod i me n s i o n a l i s o l r o p i e m e d i a [ J ] P r o g r e s s i n G e o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 2 3 5 1 4 1 2 1 4 1 6 ． J i n F， Wa n g Z， Ki s h i mo t o K． Ba s i c p r a p e r t i e s o f Ra y l e ig h s u r f a l e w a v e p r o p a g a t i o n a l o n g c u r v e d s u a e e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o n r 『 la 1 o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 0 5， 4 3 3 2 5 0 2 6 1 ． 张楚旋 ， 李夕兵 ， 董陇军 ， 等． 函数 四指标矿震信号 S波到时 拾取方法 及应 用 [ J ] ． 岩 石 力学 与 程 学 报 ， 2 0 1 5 ， 3 4 8 1 4- 2 3 ． Z h a n g Me n g x u a n ， L i X i b i n g ， D o n s L o n g j a n ， e t a 1 T h e t h r e e f u n c l i o n s fi mr in di c a t o r s S w a v e p h a s e p i c k i n g me t h o d a n d a p p l i { a t i o n f o r mi c r o s e i s m i c s i g n a l i n m i n e s[ J J ． C h i n e s e J o u rna l e l ’ R o e k M e e h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 5 ， 3 4 8 I 4 - 2 3 ． Be l l i n o A， Ga r i h a l d i I ， Go dio A． A n a H t o ma t i e me t h o 1 for d a t a p r o c e s s i n g o f s e i s mi c d a t a i n t u n n e l [ J ] ． J o u r n a l o f A p p li e d G e e p h y s i c s ， 2 0 1 3 ， 9 8 1 2 2 4 3 2 5 3 ．