煤矿井下随采地震反射波勘探试验研究.pdf

第4 3 卷第1 期 2 0 1 5年 1 月 煤 炭 科 学 技 术 C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 43 No ．1 J a n ． 2 0 1 5 煤 矿井下随采地震反射波勘探试验研究 覃 思， 程建远 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司 ， 陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要 为了在煤矿巷道掘进阶段对掘进 工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报 ， 在对煤矿 巷道掘进机的震动信号进行分析和研究， 找到使其能够替代炸药震源的数据处理方法的基础上 ， 提 出 了用煤矿巷道掘进机作为震源进行随采地震反射波超前勘探 的构想， 并在某矿进行 了试验 ， 研 究了此 法对 已知巷道 系统和由地质揭露推测的断层探测效果。结果表 明 以掘进机 为震源的随采地震探测 技 术， 能够清晰分辨 出来 自巷道侧帮的反射波 ， 对巷道距 离的探 测误 差小于 2 ％； 对来 自断层 的反射 波也有反映， 对断层距离的最大探测误差小于2 0 ％， 展示了随采地震技术实现采掘与探测同步、 探测 保障采掘的技术潜力。 关键词 掘进机震源； 随采地震 ； 超前探测 ； 井下反射波勘探 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 5 0 1 - 0 1 1 6 - 0 4 Ex p e r i m e n t a l s t ud y o n s e i s mi c wh i l e mi ni n g f o r u nd e r g r o u nd c o a l mi ne r e fle c t i o n s u r v e y Q I N S i ， C H E N G J i a n y u a n X i ’ a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC h i n a C o a l T e c h n o l o g y＆ E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p o r a t i o n ， Xi ’a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T o d e t e c t a n d f o r e c a s t t h e g e o l o g i c a l a n o ma l y a h e a d o f t h e t u n n e l f a c e c o n t i n u o u s l y a n d r e a l t i me l y i n c o a l mi n e h e a d i n g s t a g e ， t h e S WM s e i s m i c w h i l e mi n i n g a d v a n c e d e t e c t i o n t e c h n i q u e w h i c h t a k e s t h e c o a l m i n e h e a d i n g m a c h i n e f o r a s e i s mi c s o u r c e w a s p u t for wa r d b a s e d o n t h e a n a l y s i s a n d s t u d y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f c o a l mi n e h e a d i n g ma c h i n e s i g n a l a n d h o w t o t a k e i t a s a s u b s t i t u t e for e x p l o s i v e s o u r c e ． An e x p e r l n mn t w a s c a i e d o u t i n a c o a l mi n e w i t h k n o wn r o a d wa y s y s t e m a n d a f a u l t i n f e r r e d b y r o a d w a y o u t c r o p s ． T h e r e s u l t s h o w e d t h a t u s i n g c o a l mi n e h e a d i n g ma c h i n e a s a s e i s mi c s o u r c e， t h e r e fl e c t e d w a v e f r o m r o a d wa y c o u l d b e r e l i a b l y d i s t i n g u i s h e d ， a n d t h e d i s t a n c e e rro r w a s l e s s t h a n 2 ％ ． T h e r e fle c t e d w a v e f r o m a s p e c u l a t e d f a u l t a l s o c o u l d b e s e e n． a n d t h e b i g g e s t d i s t a n c e e r r o r wa s l e s s t h a n 20 ％ ． Th i s r e s ul t s ho ws t h a t SWM t e c h no l o g y ha s g r e a t po t e n t i a l t o r e a l i z e t h e t e c hn i c a l i d e a o f s u r v e y wh i l e mi n i ng a nd s ur ve y e n s u r e s m i ni n g． Ke y wo r d s h e a d i n g ma c h i n e s o u r c e ； s e i s n fi e w h i l e mi n i n g ； a d v a n c e d e t e c t i o n； u n d e r g r o u n d r e fl e c t i o n s u r v e y 0 引 言 煤矿井下生产活动伴随着各种震动 ， 在常规勘 探时这些震动会对数据采集造成影响。随采地震勘 探 ， 是指利用采煤机或者掘进机在切割煤壁 时产生 的震动作为震源 ， 进而探测工作面 内部或者掘进工 作面前方一定区域内地质构造的一种技术构想 。采 用这种勘探方式， 煤矿的采掘活动造成的震动不但 不会影响地震勘探 ， 还可以成为地震勘探的“ 免费” 震源 ， 因此随采地震勘探技术具有成本低 、 可实时连 续监测等优点 。随采地震所用震源信号是连续 、 长 时延 、 非可控 的， 以其作 为震源 ， 必须设法将其脉冲 化。国内外利用采煤机作 为震源 ， 进行透射地震勘 探 已有一些尝试 ， 如 D J B u c h a n a n等 利用采煤机 切割煤壁的震动作为震源 ， 记录源场信号 ， 将其与远 场信号作互相关 ， 能够得到清晰的相关峰值 ， 从而探 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 1 4； 责任编辑 曾康生DOI 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． e s t ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 2 8 基金项 目 国家科技重大专项资助项 目 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 0 0 0 2 ； 中国煤炭科 工集 团有 限公 司科技创新基金重点资助项 目 2 0 1 4 Z D 0 0 6 作者简介 覃思 1 9 8 1 一 ， 男， 湖南吉首人， 博士研究生， 助理研究员。T e l 0 2 9 8 1 7 7 8 0 6 4 ， E m a i l q i n s i c c t e g x i a n ． c o n 引用格式 覃思 ， 程建远 ．煤 矿井下 随采地震反射波勘探试验研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 1 l 1 6 一l 1 9 ． QI N S i ， C H E N G J i a n - y u a n ． E x p e ri me n t a l s t u d y O n s e i s mi c w h i l e m i n i n g f o r u n d e r g r o u n d c o a l m i n e r e f l e c t i o n s u r v e y [ 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 5， 4 3 1 1 1 6 一l 1 9 ． 11 6 覃思等 煤矿井下随采地震反射勘探试验研究 2 0 1 5年第 1 期 测煤 层 中的 断层。2 0世纪 9 0年 代 ， 美 国矿业 局 We s t ma n等 尝试使用采煤机割煤造成的震动作 为震源 ， 进行地震层析成像 ， 研究采煤工作面内顶板 的应力状况。但这些无法实时定位采煤机 的位置 ， 所以成像质量难 以保证。L u o X u n等 尝试采用 采煤机作为震源 ， 研究采煤工作面前方煤层顶板岩 石的应力状况 ， 从 中获得地震波传播到各道的走 时 差后 ， 利用层析成像技术对地震波射线覆盖区域内 的速度进行成像 ， 获得 了此区域 内煤层顶板岩石的 应力分布。陆斌等 研究 了采煤机震 源有效信号 的提取和应用。然而 ， 利用随采地震信号进行反射 波勘探的文献很 少 ， N e i l T a y l o r等 把巷道掘进机 作 为震源 ， 在一处钾盐矿藏 内部进行 了地震反射成 像试验 ， 成像叠加结果虽然能看到多条同相轴 ， 但文 章 未 提供 前 方岩 层 的信 息 ， 成像 结 果无 法 验证 。 A s h i d a等l l 。 。 尝试了使用三分量 检波器对掘进 面前 方进行成像 。国内陆斌 以掘进机为震源研究 了断层 的超前探测 。张平松等 研究 了坑道掘进时的 反射波超前探测。笔者用掘进机掘进时的震动信号 作 为震源 ， 进行反射波勘探的尝试 ， 获得 了清晰的巷 道反射波， 并结合地质揭露与震源能量汇聚成像图 ， 推断了工作 面 内断层 的位置 ， 推 断结果 接近 真实 位 置 1 工作面概况及观测系统 试验巷道为哈拉沟煤矿 2 2 4 0 9探巷 ，回采工作 面煤层厚约 4 ． 8 m。因巷道揭露 的断层 较大 ， 有可 能无法布设综采设备 ， 因此采用房柱式采煤法。采 集随采地震数据时， 已经掘出了 2条支巷 ， 掘进机在 支巷 2末端 ， 离支巷 1 边缘 5 0 m， 离大巷边缘 1 0 m。 检波点 1 0个 ， 最右边的检波点 1 离支巷 1约 4 1 m， 第 2到第 8个检波点依次向左间隔 1 0 m排布 ， 第 9 和第 1 O个检波点依次向左间隔 2 0 m排布 图 1 。 图 1 观测系统设计 2 随采地震 反射波方法原理 掘进机震动信号是长时延 信号， 必须设法将其 转化为脉冲子波 ， 才能代替炸药震源进行地震勘探。 此处可借鉴可控震源的数据处理办法。可控震源将 长时延扫描信号脉冲化的方法是相关法 ， 其扫描信 号 s 理论上具有这样的优 良性质 f I s t 丁 s t r d t 0 ≠ 0 { 1 I J s t s t d t 6 0 tr 0 s t 被可控震源送入地下后 ， 遇到一系列反射 界面 ， 生成一 系列反射波 ， 这可视为 S t 与地层反 射系数 r 的卷积 ， 得到地层反射波 c t 。 c J r 7 - t 一 d r 2 其 中， r 为时 移 r后 的地 层反射 系数。将 c t 与扫描信号 s t 作互相关运算 ， 设结果 R t 为 J c Jr t 7 ． d 7 J [ J r 5 t 一 7 _ d T ] s f r d r J [ J s t s t tr d 丁 ] r r d 3 根据式 1 ， 得 I 5 t s t 一下 d T 6 4 故 R t I 6 r tr d r r 0 5 因此 ， 将地层反射波 C t 与扫描信号 s t 作互 相关运算， 即可得到时间位置准确的地层反射系数 序列 r 0 ， 即得到了脉冲震源激励下的地震记录。 对于掘进机震动信号， 由于其频率、 相位、 振幅、 延续长度均无法如可控震源扫描信号那样高度可 控 ， 因而不具有式 1 的优 良性质 ， 直接应用相关法 一 般只能得出各道 与参考道的大致走时差 ， 很难观 察到反射波。 一 个信号若其频谱 中存在频带较窄 、 幅度相对 很大的优势频率 ， 其 自相关结果会出现延续度较长 的振荡 ， 这对提高相关结果的分辨率很不利 ， 掘进机 的震动信号就是如此。但是 ， 掘进机产生的震动信 号频带足够宽， 这为改造信号 ， 应用相关法创造了条 件 。设掘进机掘进 的震动信号为 e t ， 通过快速傅 里叶变换 F F T 将其变换至频域信号 E W E 6 将 E W 各个频率成分 的幅值归一化 ， 获得归 一 化后的频谱 函数 E W 1 1 7 覃思等 煤矿井下随采地震反射勘探试验研究 2 0 1 5年第 1 期 通过偏移成像技术进行能量汇聚后 ， 可在 图 4中观 察到掘进机震动信号关于此断层形成的虚震源 2与 虚震源 3 ， 这表明以掘进机为震源的随采地震技术 有潜力探测到煤层 中的断层。 5 结 语 在本次试验中， 用掘进机作为震源进行井下地 震反射波勘探 ， 对巷道的成像结果非常清晰， 这表明 随采地震技术有潜力用采煤机的工作震动替代炸药 震源 ， 实现采掘与探测同步 、 探测保障采掘的技术构 想。但文中对断层反射波 的成像 尚不够 清晰明确 ， 不能直接辨识 出来 自断层的反射波。这一方面与断 层面的倾角复杂 、 反射面平整度不够好 、 反射系数相 对较弱有关 ， 另一方面也需要在处理与成像技术上 开展进一步的研究与摸索 。 参 考文献 [ 2 ] [ 3 ] Bu c h a n a n D J， Ma s o n I M， Da v i s R． Th e c o a l c u t t e r a s a s e i s mi c S O u r c e i n c h a n n e l w a v e e x p l o r a t i o n 『 J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g ， 1 9 8 0 ， 1 8 4 3 1 8 3 2 0 ． We s t ma n E C， Ha r a my K Y， Ro c k A D． S e i s mi c t o mo g r a p h y f o r l o n g w a l l s t r e s s a n a l y s i s [ C] ／ ／ I n P r o c 2 n d N o r t h A m R o c k Mc c h S y mp ， Mo n t r e a l ， Q c， 1 9 9 6 3 9 7 4 0 3 ． W e s t ma n E C， Pe t e r s o n S C， He a s l e y K A， e t a 1 ． A c o r r e l a t i o n b e ． t we e n s e i s mi c t o mo g r a p h y，s e i s mi c e v e n t s a n d s u p p o rt p r e s s u r e [ C] ／ ／ I n P r o c 3 8 t h R o c k Me c h S y mp ， Wa s h i n g t o n D C， 2 0 0 1 3l 9 3 2 6 ． [ 4 ] L u o x， K i n gA， V a n d eWe r k e nM． S e n s i n g r o o f c o n d i t i o n s a h e a d o f a l o n g w a l l m i n i n g u s i n g t h e s h e a r e r a s a s e i s mi c s o u r c e [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n G e o s c i e n c e a n d R e mo t e S e n s i n g ， 2 0 0 8 ， 4 6 4 1 7 -2 0 ． [ 5 ] K i n g A， L u o X． Me t h o d o l o g y f o r t o m o g r a p h i c i m a g i n g a h e a d o f m i n i n g u s i n g t h e s h e a r e r a s a s e i s mi c s o u r c e [ J ] ． G e o p h y s i c s ， 2 0 0 9 ， 7 4 2 1 8 ． [ 6 ]L u o X， K i n g A， V a n d e We r k e n M． T o m o g r a p h i c i m a g i n g o f r o c k c o n d i t i o n s a h e a d o f mi n i n g u s i n g t h e s h e a r e r a s a s e i s mic s o u r c e a f e a s i b i l i t y s t u d y [ J j ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n G e o s c ie n c e a n d R e - m o t e S e n s i n g ， 2 0 0 9 ， 4 7 1 1 3 6 7 1 3 6 7 8 ． [ 7 ] 陆斌 ， 程建远， 胡继武， 等． 采煤机震源有效信号提取及初步 应用[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 3 ， 3 8 1 2 2 2 0 2 - 2 2 0 7 ． [ 8 ] I JI 】 B， C h e n g J Y， Hu J W， e t a 1 ． S e i s m i c f e a t u r e s o f v i b r a t i o n i n d u c e d b y mi n i n g ma c h i n e s a n d f e a s i b i l i t y t o b e s e i s mi c s o u r c e s [ J ] ． P r o c e d i a E a r t h a n d P l a n e t a r y S c i e n c e ， 2 0 1 1 3 7 6 - 8 5 ． [ 9 ] T a y l o r N， Me r r i a m J ， Ge n d z w i l l D， e t a 1 ． T h e m i n i n g m a c h i n e a s a s e is mi c s o u r c e for i ns e a m r e fl e c t i o n m a p p i n g[ C] ／ ／ P r o c 7 1 s t S EG An n u Me e t i n g， Ex p a n d e d Ab s t r a c t ． S a n An t o n i o ， TX， 2 0 0 1 1 3 6 5 一l 3 6 8． [ 1 0 ] A s h i d a Y． S e i s mi c i ma g i n g a h e a d o f a t u n n e l f a c e w i t h t h r e e c o n p o n e n t g e o p h o n e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 1 ， 3 8 6 8 2 3 8 3 1 ． [ 1 1 ] 陆斌． 以掘进 机为震源对 煤矿断层 进行超前探 测 [ C] ／ ／ 中 国地球物理 2 0 1 3 - 第二十四分会 场论文 集． 昆 明 中国地球物 理学会 ， 2 0 1 3 ． [ 1 2 ] 张平松 ， 刘盛东 ， 吴健 生． 坑道 掘进 空间反 射波超前探 测技术 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0， 3 5 8 1 3 3 1 1 3 3 5 ． 上接第 1 1 5页 [ 2 4 ] 刘志新． 矿井 瞬变 电磁场分 布规律 与应用研 究 [ D] ． 徐州 中 国矿业大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 5 ] 姜志海． 巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机制与技术研究 [ D] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 6 ] 杜庆丰． 瞬变 电磁法工 作装置 、 数据预 处理及 反演解 释系 统 [ D] ． 北京 中国地质大学 北京， 2 0 0 8 ． [ 2 7 ] 杨海燕． 矿用 多匝小 回线源 瞬变电磁场 数值模拟 与分布规 律 研究 [ D] ． 徐 州 中国矿业大学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 8 ] 谭代 明． 隧 道超 前探水 伞 空间 瞬变 电磁 理论 及其 应 用研 究 [ D] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 9 ] 胡博． 矿 井瞬变 电磁 场数值模 拟 的边 界元 法 [ D] ． 徐 州 中 国矿业大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3 0 ] 杨海燕 ， 邓居智 ， 吴信 民． 瞬 变电磁法超 前预报 全空间解 释技 术研究 [ J ] ． 东华 理工 大学 学报 自然科 学版 ， 2 0 1 3 ， 3 6 2 1 9 9 -2 0 3 ． [ 3 1 ] 胡雄武 ， 张 平松． 矿井 多极供 电电 阻率 法超前 探测 技术研 究 [ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 1 0， 2 5 5 1 7 0 9 1 7 1 5 ． [ 3 2 ] 胡雄武 ， 张平松． 深部矿井 电阻率法超前探测多极偏移处理与 应用 [ J ] ． 安 徽 理 工 大 学学 报 自然科 学 版， 2 0 1 0 ， 3 0 1 [ 3 3 ] [ 3 4 ] [ 3 5 ] [ 3 6 ] [ 3 7 ] [ 3 8 ] [ 3 9 ] [ 4 0 ] [ 4 1 ] 2 一24． 张平松 ， 李永盛． 巷道掘进直流电阻率法超前探测技术应用探 讨 [ J ] ． 地下空间与工程学报 ， 2 0 1 3 ， 9 1 1 3 5 1 4 0 ． 张平松 ， 刘盛东 ， 李培根． 矿井 瞬变 电磁探 测技术 系统与应用 [ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 1 1 ， 2 6 3 1 1 0 7 -1 1 1 4 ． 张平松 ， 李 永盛． 坑道掘 进瞬变 电磁超前 探水技 术应 用分析 [ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 2 ， 3 3 9 2 7 4 9 2 7 5 3 ． 张平松 ， 程桦． 巷道掘进瞬变 电磁法跟踪超前 预报 分析[ J ] ． 地下空 间与工程学报 ， 2 0 1 3， 9 4 9 1 9 - 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