综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用.pdf

2 0 1 7年第 3期 江西煤炭科技 9 综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用 任 海 波 k 1 ．山西 新 景 矿 煤 业 有 限 责 任 公 司地 质 测 量 部 ， 山 西阳 泉 0 4 5 0 0 0； 2 ． 中国矿业大学资源 与地球科学学 院 ， 江苏徐州2 2 1 0 0 0 摘要 在矿井地震波超前探测手段的基础上 ， 综合运用 直流电法 、 瞬变 电磁法进行掘进巷道周边 区域物性数据采集 ． 综合 地球物理数据 ， 结合基础地质资料 ， 实现掘进工作面前方瓦斯异常及小构造超前探测 ， 为矿井安全生产提供技术保障。 关键词 地震波 ； 直 流电法 ； 瞬变 电磁法 ； 瓦斯构造 ； 超前探测 中圈分类号 T D 1 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 - 2 5 7 2 2 0 1 7 0 3 - 0 0 0 9 - 0 4 Ap p li c a t i o n o f Co mp r e h e n s i v e De t e c t i o n T e c h n o l o g y i n Ga s Ge o l o g y Ad v a n c e d De t e c t i o n Re n Ha i b o 0 1 ． G e o l o g i c a l S u r v e y D e p t ． o f S h a n x i X i n j i n g C o l l i e r y C o a l I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， Y a n g q u a n ， S h a n x i 0 4 5 0 0 0 ； 2 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d E a r t h S c i e n c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 0 0 0 Ab s t r a B a s e d o n t h e a d v a n c e d d e t e c t i o n o f s e i s mi c wa v e ， p h y s i c a l p r o p e r t y d a t a o f d ri v i n g r o a d w a y s u r r o u n d i n g a r e a h a s b e e n c o l l e c t e d b y DC E l e c t r i c a l Me t h o d a n d t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e ti c me thod ， w h i c h a c h i e v e s a d v a n c e d d e t e c ti o n of g a s a n o ma l y a n d s ma l l s t r u c t u r e i n d riv i n g f a c e a n d p r o v i d e d t e c h n i c al g u a r a n t e e f o r the s a f e ty p r o d u c t i o n o f mi n e s ． Ke y wo r d s s e i s mi c wa v e ； DC E l e c t ric al Me tho 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 thod；g a s s t r u c t u r e ； a d v an c e d d e t e c ti o n 1 概述 阳煤集团新景矿受 区域地质构造条件控制 ， 在阳泉矿区大单斜面上 ，次一级褶皱与层间小断 层极为发育 ， 且岩溶陷落柱较为发育。根据地表三 维地震资料 ，结合周边采掘资料分析 ， 8 煤层东一 正巷掘进区域构造较发育 ，造成局部区域瓦斯压 力、 含量等数据变化较大 ， 将对巷道安全掘进造成 一 定影响。由于地面勘探手段的分辨率的限制 、 钻 探成本较大 ，这些小构造往往难以得到查 明与控 制。 结合东一正巷周边地质构造 、 瓦斯地质条件 ， 以矿井震波超前探测技术 、直流电法及瞬变电磁 技术理论为指导 ，根据综合地球物理探测成果资 料 ，判断断层破碎带 、陷落柱等隐伏地质构造位 置 ， 分辨构造带与瓦斯异常区域的相关危险特性 ， 进行超前地质和瓦斯地质预报[ 1 ] 。 2 探 测施 工及成果分析 2 ． 1 反射 波法探测技 术 1 探测位置 东一 副巷测点D 1 2 8 东9 0 ． 5 m 处 。 2 探测方法 在掘进巷道迎头空间展开 ， 采 用锤击为物探施工震源。测线布置在左帮上， 锤击 点 1 9 个 ； 接收传感器点为2 个 ， 即C l 和C 2 。图l 为炮 点与检波点的空间布置关系 ，物探处理过程 中C l 为坐标零点嘲。 C e I2 P 1 9 图1 东一 副巷MS P现场 观测 布 置 3 数据处理 本次现场采集到的M S P 震波探 测数据 ，在中国矿业大学研制开发 的M S P 2 ． 0 软件 平台上进行处理 ， 其处理流程如下 l 0 江西煤炭科技 2 0 1 7年第 3期 a ． 数据预处理 ； b ． 频谱分析 ； C ． 直达波求取 ； d ． 反射波提取 ； e ． 速度分析 ； f ． 深度偏移 ； g ． 界 面 提取。 从采集到地震波的频谱分析 见 图2 中 ， 可以 看 出此次震 波 勘探 主频 范 围为 1 0 0 7 0 0 H z 。 由各记录源检距和初至到时拟合的直达波初 至直线 。 确定直达纵波速度为1 ． 9 m ／ m s 。结合经验 参数 。将此速度基本确定为探测区域纵波速度与 深度偏移的速度背景值 。迎头前方有效反射波提 取是M S P 关键技术之一 ， 该次探测前方有效反射信 号见 图3 。 i l L ～ m m 7 №* 0 R． } 一 j _二 ． 盘 1 * m m m 5 * m m Ⅲ∞ 0 图 2 频 谱 分 析 图 3 反 射 波 提 取 4 结果分析 图4 为掘进前方地震纵波深度 偏移成像图，深度偏移剖面反映了弹性差异界面 的空 间位置关 系。如 图所示 ， 巷道掘进前方8 0 m 范 围内存在多处较为明显的反射相位 ， 其 中3 组相位 能量较强 描述为R 1 、 R 2 、 R 3 图中巷道 中线和点 线交点位置 。根据数据分析成果 ， 结合巷道现有 地质资 料，做 出如下解释 东一副巷 探测位 置 D 1 2 8 9 0 ． 5 m 前 方2 4 ～3 2 m 界 面 R 1 、 4 4 ～4 9 m 界面R 2 、 5 7 6 2 m 界 面R 3 均有较强 的界面 ， 分析可能为瓦斯富集异常或煤层裂隙发育区。 、 L 、 ． l l ．广＼ 图4 东 一 副 巷 MSP 探 测 偏 移 成 像 2 ． 2 直流 电法探测技 术 1 探测位置 同上。 2 探测方法 此次探测超前测线布置以掘 进掌头为相对基准点 ， 采用全空 间布置方法 ， 电极 总数预计为6 4 个 ， 电极间距为2 ． 5 m ， 在掌返1 6 0 m 范围内的底板布置一条测线 ， 具体布置见 图5 。现 场布置测线时受到综掘机移动影响 ．在无法协调 的情况下 ， 实际布设 电极数为2 5 个 ． 电极 间距 2 ． 5 m ，在掌返6 0 m 范围内的底板布置 了一条测线 。 期 间采用单正供 电的方式进行数据采集 ，数据模式 为 供 电时间0 ． 5 S ， 采样间隔5 0 m s 。 图 5 直 流 电 法 测 站 实 际 布 置 3 数据处理 此次直流电法采集的数据 ， 使 用W B D 网络并行 电法配套处理软件M R P 进行处理 。 处 理 流程见 图6 。 图6 直 流 电 法 超 前 探 测 数 据 处 理 流 程 4 结果分析 直流 电法解释原则 煤层或富 水性较弱的岩层 ， 视电阻率相对较高 ； 煤层 中存在 瓦斯富集 区时 ， 视 电阻率相对更高 ； 而砂岩 、 泥岩 或富水性较强的岩层 ， 视电阻率相对较低 。 图7 中在视 电阻率剖面中 ． 采用多 电极三极法 计算视 电阻率在4 ～1 2 Q m 之间。在探测位置前 方高低阻值变化区段 ， 存在一组高阻区， 结合新景 矿8 号煤的特点 ， 对其分析解释为 东一副巷 探测 位置前方2 9 4 5 m 视 电阻率值偏高 ．可能为该区 ～ 2 0 1 7年 第 3期 江西煤炭 科技 域 斯寓 集异 常 仙 I 扫于迎 头前 两个 电极 无 电 流 ， 最后 方 商f5 f i 排 除 为插值结 果 的可 能 。 l 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 啻塔g茸罾 茸茸嚣窘 嚣圆署垮a自 图7东一副巷 直流 电法超 前探 测视 电 阻率剖 面 2 ． 3 瞬变 电磁 法探测技术 1 探 洲位 置 同 2 探 测 方法 本 次矿 井瞬 变 电磁探 测 东一 副 巷掘进 掌 腱 丌 ， 测 点 、 探 洲 方 向布 置情 况 见 图 8、 l { } 1 9 9 趔 一 j 、 { J 。 、 J 啦 ’ ㈠ 图8 现 场 观 测 系 统 布 置 图 9 探 测 方 向布 置 3 步骤进行 ① 数据 文件 导入 格式转 换 ； ② 数据倾处理 数据测线拆分 、 道参修改 、 圆 滑处理 、 r 扰校 正 ； ③ 汁算 晚期视电阻率； ④ 时 深转换 ； ⑤lF 反演计算 、 往瞬变电磁数据反演中，视电阻率系数与深 度系 数是 两 个重 要 的计 算 参量 。根 据 该方 法技 术 的有 效探 测深 度 2 0 ～ 1 0 0 m ，结 合 以往 探测 工 程 ， 埘 两 个参 做 出相 应渊 整 ， 以呈 现 出地 层 在有 效探测 深度 方 向上的 电性 分 布与差 异规 律1 。 【 。 4 结 果分 析 通 过 数据 处 理 ， I 叮得 到 图 l 0 所 爪 的视 电 l 率 立 JJ 本 次探 测 有 效控 制 范 H 习 为 2 0 ～ 1 0 0 m 0 ～2 0 H I 为 同 仃探 测 肖 I ‘ ， 冈 中视 电 『5 I l 率值较低部分 以冷色 j_J i； J 来表示 ，卡 } { 反则以暖包 捌来表 爪 体解 释 1 _ 卜枉 东 一 剐巷 瞬变 电磁 视 电阻 率 剖 巾 a ， F Y C 1 和F Y C 2 处存 在 视 电 阻率 相 对 低 异常 ； l fi f b 巾的异 常 F Y C 3 和F Y C 4 处 存 在 视 电阻 率相 对 低 异常 ． 其 中F Y C 3 永 为 较 为 明 的视 电 阻率 低异 常 。根 据 东 一副巷 掘进 域 煤 岩 层 水 文 地 质 条件 ， 结 合 本 矿 瞬 变 电 磁 探 测 经 验综 合分析 ． F Y C 3 丁 能为8 煤层顶板砂岩弱 含水 层 局 部 含水裂 隙 发育 所致 ，巷 道掘 进 期 问 叮能 伴 少姑 淋水 ， 同时 也 不排 除 为迎 头 顶 饭 处 的 瓦斯 排 放罐 和钻 机 底座 的影 响所 致 ，对 安 全 产 影 响 较小 其 他 异常 能为 现 场探 测 条件 十扰 源所 致 ， 对 成果分 析影 响不 大 、 同 巷道顶扳 a 迎 又顺 层方 向视 电 率 剖 面 1 2 江西煤炭 科技 2 0 1 7年第 3期 本 次探 测 采用 r 地 震 反射 波 法M S P 、 直流 电 法 与瞬变 电磁 法 超 前探测 技 术 手段 ，综 合 上述 方 法 探测结果分析对 比，并结合巷道掘进I 域地质 资 料及 以往探 掘 对 比经 验 ，对 此 次探 测 巷道 掘进 方探 测 区域 内 瓦斯 地 质异 常 及 富水 性 异常进 行 综 合分 析 。 1 探 测 有效 距 离 地震 波 法 M S P 控制 距 离 为 迎 头 8 0 m 瞬 变 电 磁 法 控 制 距 离 为 迎 头 1 0 0 m 此次直流电法控制距离为迎头 4 5 m 。 2 探 测 成 果 分 析 在 东 一 副 巷 探 测 位 置 D 1 2 8 9 0 ． 5 in 前方 ① 2 4 ～3 2 i n 存 在较强异 常 界面R 1 ． 可能为瓦斯富集异常或煤层裂隙发育 区， 该 域瓦斯含量或压力可能较高 ② 4 4 4 9 m 存 在较强异常界面R 2 ．可能为煤层裂隙发育或瓦斯 富集异常区；③ 5 7 6 2 m 存在较强异常界面R 3 ， 可能 为煤层 裂 隙 发育或 瓦斯 富集异 常 。 东一 副 巷 东一 正 巷 问距 仪 1 0 il l ，且 东一 巷超 前掘 进 约 1 8 m ，故推 断东 一 副 巷 中的R 1 界 而 可能为东一正巷掌子面对其探测造成的影响。 3_ 2 验证 结果 从 冈 1 1 实 际揭 露验 证 情 况 看 ． R l 界 面 对 应 瓦 斯浓度相对变低 ， 而K 1 值存在变化 R 2 界晰对应位 置 瓦 斯浓 度相 对 变 高 ， 而R 3 界 而浓 度 略有 变 化 ， K l 值 存 在变化 。 右帮 探 涮 位首 b 迎 头 乖 向视 电阻率 剖 面 ■■●■瞄疆懿塾 拦 盛谶 麟嬲鞠麟艘蕊 跚蹬鞋糟糕 -_ i I．镒 强瞄● ● o c n若 石 ； 蔷蔷酱 } j 譬 台 咎 g g 髫 C 视电阻率色标单位 Q m 图1 0 东 一 副巷超 前探 测 瞬变 电磁 剖面 3 综合分析 与验 证结果 3． 1 综合分析 O l0 20 3 0 40 50 60 70 80 糸W t - 。 D f 3 6 0． ～～ } i l 、 L L ⋯ 零 零 参 一， 1 庸 、 毒 1 4 结 语 图 1 1 探 测 验 证 结 果 结合东一 巷地质构 造 、 瓦斯地质特征 ， 巷道 掘 进 期 l1 _I 】 术 明 显水文 地 质异 常 ，敞分 析 电法 勘 探异常 为 岩性 电阻率不一敛所造成。采用 矿井地震波超前探测技术 、直流电法超前探测技 术及 瞬 变 电磁 超 前探 测 技 术进 行综 合 物探 ．弥 补 单一 物探 手段 不 足 ，探 明 巷道 掘 进 前方 地 质构 造 或现象 赋存状况 ， 提供超前地质和瓦斯地质预 报 ， 为掘进巷道过构造提供 1 『 靠资料 ， 该探测方法 具 有 很大 的推 广意 义 。 下转 1 9页 2 0 1 7年第 3期 江西煤炭科技 1 9 析 [ J ] ． 煤炭与化工 ， 2 0 1 5 4 1 4 - 1 6 ． [ 4 ]田中宾． 撞楔法在掘进期间控制顶板的应用 [ J ] ． 山东 煤炭科技 ， 2 0 1 3 6 2 3 - 2 4 ． 5 ]张建伟． 断层带预支护 与注浆修复的使用 [ J ] ． 能 源与 节能 ， 2 0 1 3 1 1 7 4 7 6 ． 作者简介 句二小 1 9 8 1 一 ， 男 ， 毕业 于山西大同大学机械 设计制造及 其 自动化专业 ， 本科学历 ， 助理 工程师 ， 现任西 山煤电集团屯兰矿开拓 四队书记 ，从事煤矿开拓安全生产 管理工作 。 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 0 2 编辑 彭呈喜 上接 1 2页 参考文献 [ 1 ]陈文东 ， 陈国申， 贾社芹． 矿井震波超前探测技术 M S P 在 鹤壁 矿 区的 应用研 究 [ J ] ．内蒙古 煤 炭经 济 。 2 0 1 4 4 7 - 8 ． [ 2 ]范三阳 ， 王传勇 ， 王明耀 ， 等． 综合物探在掘进巷道前方 水害体探测中的应用[ J ] ． 煤炭科技， 2 0 1 1 3 7 6 7 8 ． [ 3 ]李 淑敏．震 电磁超前 探测 技术 在新 景矿 的应 用研 究 [ J ] 。 山西煤炭管理干部学院学报 ， 2 0 1 5 2 1 2 6 1 2 8 ． [ 4 ]范红梅 ， 吴荣新 ． 电磁法探测煤矿地震异常区影响范围 富水性 [ J ] ． 西部探 矿工程 ， 2 0 1 3 1 2 1 5 5 1 5 6 作者简介 任海波 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山西 吕梁人 ， 2 0 1 0 年毕业于 西安科技大学资源勘查工程专业 ， 工学 学士 ， 中国矿业大学 2 0 1 3 级地 质工程领域在职硕士学位研究生 ，阳煤集 团新景 公司地质 测量部水文物探业务组长 ， 地质工程师 ， 主要从 事 矿井 地质及水文物探技术与管理工作 。 收稿 日期 2 0 1 7 0 4 2 7 编辑 郭正 义 上接 l 5页 3 ． 3 方案选择 通过表1 比较 ， 方案一明显优于方案二 ， 而表2 中虽然方案一 比方案二多2 1 5 万元 。但对 于4 ． 0 0 M t ／ a 的矿井开拓来说 ， 可忽略不计 。因此 ， 选择方 案一为最佳方案 。 4 结语 金凤矿井是马家滩矿 区规划建设大型矿井之 一 。是宁东煤化工配套项 目。 设计矿井采用方案一 的单水平斜井开拓 ， 具有地面运输距离短 ， 工业广 场征地费用少 ， 矿井边界煤柱压煤量少 ， 便于前期 开采 中心地带 的平缓煤层 ，矿井整体通风均衡等 优点。且投产时主斜井带式输送机与十八煤工作 面带式输送机直接搭接， 即可实现连续运输 。 辅助 运输 采用无轨运输 ， 实现了井上 、 井下连续运输 ， 无需换装 ， 运输环节少 ， 管理方便 [ 州 ， 为充分发挥 4 ． O 0 M t ／ a 大型矿井的生产能力奠定了基础。 参考 文献 [ 1 ]王文书． 矿井开拓方案的确定方法 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 2 9 卜3 ． [ 2 ]孙凡平． 华 丰煤矿第 五水 平开拓延深 和采 区布置方案 探讨 [ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 0 0 4 3 9 4 0 ． [ 3 ]郭 占祥． 碾子沟煤矿开拓方案设计优化 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 5 5 卜3 ． [ 4 ]王桂伍 ． 深井 地 应力 测量 分析 与巷 道 布置 优化研 究 [ J ] ． 煤炭技术， 2 0 1 6 1 1 5 7 5 8 ． [ 5 ]丁杨 ． 汉水 泉 三号 矿井 多煤 层联 合 开采 开拓 方案 [ J ] ． 山东煤炭科技 ， 2 0 1 5 8 3 2 3 4 ． [ 6 ]杨卫林 ． 立井 开拓过含水岩层 注浆技术 [ J ] ． 煤 矿现代 化 ， 2 0 1 1 1 2 4 2 6 ． [ 7 ]范效思． 金凤矿井开拓方式的选择 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 2 1 2 4 2 6 ． 8 ]楼开鹏 ． 对 特大型矿井主井开拓方式 选择 的探讨 [ J ] ． 煤炭技术 。 2 0 1 2 1 2 4 2 6 ． 作者简介 王立 萌 1 9 8 3 一 ， 男 ， 陕西岐 山人 ， 2 0 0 6 年毕业 于 西安科技大学 ， 工程 师 ， 主要从事矿井设计 咨询 工作 。 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 1 5 编辑 岑代全