矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用.pdf
第 2 3卷 1 期 2 0 1 1年 1月 中国煤炭地质 COAL GEOLOGY OF CHI NA V 0 1 .2 3 N o . 0 1 J a n . 2 0 1 0 d o i 1 0 . 3 9 6 9 .i s s n . 1 6 7 4 - 1 8 0 3 . 2 0 1 1 . 0 1 . 1 2 文章编号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 1 1 0 1 0 0 5 1 0 4 矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用 刘 忠远 上海 大屯能 源股份有 限公 司龙东煤矿 , 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 龙东煤矿区内构造较 为发 育 , 可采或局部可采煤层为 7 、 1 7 、 2 1 号煤层 , 为查明 2 1 煤试采区巷道前方断层 、 破 碎带 的发育程 度及 导水状态 , 采 用矿井地震超前探测技术进行 了超前探 测 , 测线布置在 回风巷左 帮上 , 共设炮点 2 0 个 , 利用两个三分量传感器 C 、 C 接收 。 对采集数 据进行波场分离 、 反射波提取 、 叠前偏移成像 等核心技术处理 , 得到 S V波深 度偏移处理结 果图 , 从中提取 了 5个异常界面 , 分别位 于迎头前方 2 2 . 5 m、 4 0 . 5 m、 5 4 . 5 m、 6 4 . 5 m、 9 8 . 5 m, 结合 地质资料 , 解释为小断层。 根 据现场掘进实测剖面资料 , 矿 井地震超前探测技术在龙东矿探测 的异常界面准确 , 其界 面距离最大误差率小于 1 0 %. 表 明该技术在掘进迎头前方 1 0 0 m范 围内可以有效探测断层 等地质构造 。 关键词 矿井 地震 超前探测 技术 ; 波场分离 ; 叠前偏移成像 ; 地质 构造 中图分类 号 P 6 3 1 . 4 文献标 识码 A Ap p l i c a t i o n o f M i n e Ad v a n c e S e i s mi c Pr e d i c t i o n Te c h n o l o g y i n L o n g d o n g Co a l mi n e Li u Zh o n g y ua n S h a n g h a i D a t u n E n e r g y R e s o u r c e s C o . , L t d . L o n g d o n g C o a l mi n e , X u z h o u , J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 Ab s t r a c t Ge o l o g i c a l s t r u c t u r e s a r e r a t h e r we l l d e v e l o p e d i n t h e L o n g d o n g c o a l mi n e a r e a ,mi n e a b l e o r l o c a l l y mi n e a b l e c o a l s e a ms h a v e No s . 7 ,1 7 a n d 2 1 . T o i d e n t i f y No . 21 c o a l s e a m wi n n i n g t e s t i n g a r e a r o a d wa y f o r wa r d d i r e c t i o n f a u l t , f r a c t u r e z o n e d e v e l o p me n t e x t e n t a n d wa t e r c o n d u c t i n g s t a t u s , t h e mi n e a d v a n c e s e i s mi c p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y h a s u s e d . S u r v e y l i n e h a s l a i d o u t o n l e ft w a l l o f t h e a i r r e t u r n w a y , t o t a l l y 2 0 s h o t p o i n t s , t wo 3 - C s e n s o r s C 1 a n d C2 r e c e i v i n g . C o l l e c t e d d a t a a r e p r o c e s s e d t h r o u g h c o r e t e c h n o l o g i e s o f wa v e fi e l d s e p a r a t i o n ,r e fl e c t i o n wa v e e x t r a c t i o n ,p r e s t a c k mi g r a t i o n i ma g i n g e t e .S V d e p t h mi g r a t i o n p r o c e s s e d r e s u l t i n g i ma g e s h a v e o b t a i n e d , t h e r e i n 5 a n o ma l o u s i n t e rfa c e s e x t r a c t e d a n d i n t e r p r e t e d a s mi n o r f a u l t s b a s e d o n g e o l o g i c a l d a t a ,l o c a t e d a t f o rw a r d d i r e c t i o n 2 2 . 5 m,4 0 . 5 m,5 4 . 5 m,6 4 . 5 m a n d 9 8 . 5 m r e s p e c t i v e l y .A c c o r d i n g t o s i t e d r i v i n g me a s u r e d s e c t i o n d a t a ,d e t e c t e d a n o ma l o u s i n t e rf a c e l o c a t i o n s a r e a c c u r a t e ,t h e i r ma x i mu m e r r o r r a t e l e s s t h a n 1 0 % ,i n d i c a t e d t h a t t h e t e c h n o l o g y c a n e ff e c t i v e l y d e t e c t g e o l o g i c a l s t r u c t u r e s i n c l u d i n g f a u l t wi t h i n f o r wa r d d i r e c t i o n l O O m r a n g e . Ke y w o r d s mi n e a d v a n c e s e i s mi c p r e d i c t i o n t e c h n o l o g y ; w a v e f i e l d s e p a r a t i o n ; p r e s t a e k mi g r a t i o n i ma g i n g ; g e o l o g i c a l s t r u c t u r e 0 引 言 巷道在掘进过程 中所遇到 的断层 、 陷落柱 、 煤岩 体结构破碎带等不 良矿井地质条件时 ,都将直接影 响到掘进施工. 同时也易导致矿井水、 瓦斯等灾害的 发生 , 给矿井安全生产带来极大的威胁。 矿井震波超 前 探测技 术f Mi n e S e i s mi c P r e d i c t i o n , 简 称 MS P , 是 根据巷道空 间特点及高倾角界面波场动力学规律 , 采用巷道多次覆盖观测系统进行数据采集的一项井 下勘探技术 。该数据在处理过程中综合运用波场分 离 、 反射波提取 、 叠前偏移成像等多种地震数据处理 算法。MS P技术是一种多波多分量全空间地震勘探 技术 ,能有效探测掘进巷道前方 1 2 0 m范围内断层 作者简 介 刘忠远 1 9 6 3 一 , 男 , 江苏 丰县人 , 高级工 程师 , 1 9 8 6年毕 业于西安矿业学院 , 现任龙东煤矿副矿长 。 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 5 责任编 辑 孙常长 等地质异常. 其探测成果可有效减少掘进事故 , 保障 矿井安全高效生产[ 。 1 地质概 况 龙东煤矿隶属上海大屯能源股份有 限公司 , 位 于江苏省徐州市。井 田含煤地层有太原组 、 山西组 、 下石盒子组 ,其 中可采或局部可采煤层为 7 、 1 7 、 2 1 号煤层。 本 区位于滕鱼复向斜 中滕县的倾伏部位 , 井 田内褶皱构造较为发育 褶曲内断裂构造发育 , 断层 分布很不均匀 , 大断层多分布于井 田东南部和西部 , 并成束状 、 枝状分布, 制约矿井安全生产 。 2 1煤试采区煤层顶底板均有灰岩存在 , 在华北 地 区灰岩为直接充水含水层 ,其下部为奥陶系灰岩 含水层 . 属具有突水威胁的间接充水含水层 , 采区内 还不同程度发育断层等矿井地质构造 ,构造的存在 为水 的运移 、 富集提供了有利的条件 。因此 , 在巷道 掘进过程中需要查明巷道前方断层 、破碎带等可能 5 2 中 国 煤炭 地 质 第2 3 卷 的导水构造情况,在提高掘进速度的同时最大限度 的降低水害事故发生,为开拓巷道安全掘进提供地 质保障。 2 MS P技术及 系统原理 2 . 1 MS P 技 术 2 . 1 . 1巷 道前 方高倾 角界 面 负视 速 度时距 特征 由于巷道等地下工程的空间局限性 ,地震探测 工作只能在巷道迎头附近有限区域展开 ,和地面反 射地震勘探基于水平或低倾角反射界面不 同,巷道 前方 的反射界面与地震测线呈垂直或高倾角空间关 系 . 因此表现出独特的负视速度时距特征 。 2 . 1 _ 2 MS P技 术 中的巷道 多次 覆盖观 测 系统 为 了尽可能多的获取地震数据 , MS P数据采集 时选用三分量传感器 ,多个三分量传感器布置在不 同位置, 在巷道 中形成全方位 、 多次覆盖观测系统l2 ~ 4 l 。地面地震将界面抽象成光滑水平界面 , 每个 C D P 道集代表了某一共深度点多次反射 ,射线路径遵循 镜面反射定理。MS P中将反射界面看成不再光滑而 是由一系列离散绕射点所组成 .因此该界面能够反 射来 自任一方向的下行波并且上行波总能被任何位 置的传感器所接收。在巷道迎头和后方同时布置多 个传感器接收 , 巷道一帮或两帮激发信号。 前后置多 次覆盖观测系统是将 2只三分量传感器分别布置在 巷道左右帮 , 迎头与传感器之间布置炮点。 由于炮点 和接收点位于全空间介质中,任一炮点所激发的地 震波能够被界面上的绕射点反射并为各个传感器所 接收. 见图 1 图 1 多次覆盖观测 系统示意图 F i g u r e 1 A s c h e ma t i c d i a g r a m o f mul t i p l e c o v e r a g e o b s e r v a t i o n s y s t e m 2 . 2 MS P系统组成及现场探测技术 2 . 2 . 1 MS P系统组 成 MS P系统 由采集系统和处理 系统两部分组成 [5 】 。采集 系统主机选用福州华虹智能科技 开发有限 公司和安徽惠洲地下灾 害研究设计 院共同研制的 K D Z l l l 4 6 B 3 0型矿井本安地震探测仪 , 仪器系统特 点与技术指标如下 。 ①采集。采集道数 采样道数为6 个 , 1 ~ 6道任 选 ; 采样速度 单道最快采样速度为 1 6 s ; A / D 每个 通道独立 A / D, 2 4位 ; 采样间隔 1 6 t z s 一 3 2 m s 1 A 1 6 1 x s 增量 可选1 。 ②系统软硬件。操作系统 嵌入 L in u x ; 操作界 面 全中文界面 ; 显示 夏普 8 0 0 6 0 0 , 5 6色真彩 ; 接 口 1个标准 U S B接口; 键盘 专用键盘 、 通用键盘。 ③传感器。 传感器参数分量数 3 迪卡尔坐标系 分布 ; 类型 动圈式速度 、 压 电加速度任选 ; 耦 合方 式 孑 L 中贴壁式机械; 适合孔径 4 2 、 6 0 m m 前者为加 速度 、 后者为速度传感器 ; 响应主频 加速度为 0 ~ 5 0 0 0 Hz , 速度传感器 1 0 0 H z 。 处 理系统 采用了矿井震 波超前探测处 理系统 f MS P 2 . 0 ,该处理系统以三维观测系统下的核心地 震数据处理技术为基础 ,实现对坑道前方地质构造 及其异常体成像 , 可获得巷道/ 隧道前方及周边掘进 空间内不同方位的二维地震属性参数剖面,以及三 维地震属性数据体。 软件系统功能强大 , 主要有工程 管 理 、 记 录解 编 、 数据 预处 理 、 核心处 理 、 界面提 取 以 及结果显示等 6大主模块和 2 0多独立的子模块构 成 。 2 . 2 . 2 MSP观 测 系统 MS P系统主要 由记录 、 接收和激发三个单元组 成 , 采用的是多次覆盖观测系统 , 数据采集时选用三 分量传感器 , 将多个三分量传感器布置在不同位置 , 尽可能多地获得地震数据。在井下则是利用矿井巷 道狭长且空间有 限的特点 MS P将激发点和接受点 均布置于巷道侧 帮f 或迎头1 , 采用发 “ 一炮双收” 接 收地震波 ,多个炮点顺序激发的方式主要有后置观 测系统和前置观测系统。 2 _ 2 _ 3激 发 与接收 工作 激发以炸药震源最佳 ,在不能放炮时可用重锤 代替 。炸药可选用矿用乳胶炸药. 以一段雷管引爆 。 在没有一段雷管时, 可以其它段代替 , 但一定要选用 同一段 . 以保证触发延迟时问的一致。 起爆时一炮一 放 , 顺次激发 。安装传感器时, 以专用的导 向杆将传 感器推人孔底 。向气囊加压驱动机械贴壁片使其和 围岩耦 台成一体 。安装完成后测量传感器三个分量 的方位角和倾角。 现场进行数据采集时应停止机械震动或较大嗓 音的工作如 掘进机 , 皮带, 减少人员走动, 减少杂物 堆放等。 3 龙东矿 MS P数据采集 、 处理及验证 3 . 1 2 1试煤 采 区 回风 巷迎 头超 前探 测数 据 采集 本次矿井 MS P探测于 2 0 1 0年 0 3月 0 2 13在龙 东矿 2 1 试煤采 区回风巷迎头有限空间内展开 , 测线 1 期 刘忠远 矿井地震超前探测技术在龙 东矿 的应用 5 3 布置巷道左帮上, 采用炸药震源。 其炮孑 L 2 0个 , 接收 传感器点为 2个 即 C 、 C 。传感器及炮孔顺序 、 方位 及炮间距见图 2 , 炮点布置在左 帮。其中 C 传感器 距离 2 0号炮点 2 1 . 8 m, C 2 点距 C 点 5 m。测点 W2 0 距离 C 2 传感器 1 9 . 5 m。采集数据是 K D Z 1 1 1 4 6 B 3 0 地震仪利用两个 三分量传感器 C 、 C 接收 2 0炮地 震数据。 c 2 c l l s ∞ s l 9 s t 8 s l7 s 伯 s 3 s 2 s 1 l ● 一 l 9 . 5 n r f m 失 f2 0 l l 图2 2 1试煤采区回风巷迎头超前探测 MS P 测线布置图 F i g u r e 2 M i n e a d v a n c e s e i s mi c pr e di c t i o n s u r v e y l i ne l a y o u t i n wi n n i n g t e s t i n g a r e a a i r r e t u r n wa y 3 I 2数 据 处理及 解 释 将现场采集到的物探数据经过处理方能转化为 可利用的物性图件 , MS P震波探测数据在 自行研制 开发的 MS P 2 . 0软件平台上进行 , 其处理流程为 数 据预处理一频谱分析一 直达波求取一反射波提取一 速度分析 深度偏移一 界面提取 。 频谱分析处理利用 F F r r 工 具对本巷道采集 的 地震波形进行频率域分析,掌握在炸药震源条件下 的地震波主频分布范围.有利于指导后续数据 的处 理。 图 3为地震波形的频谱分析图, 从图中可以看出 主频 范 围为 5 0 ~ 4 5 0 Hz 图 3 现 场 地 震 信 号 的 频 谱 分 析 Fi g ur e 3 Fr e q ue nc y a n a l y s i s o f s i t e s e i s m i c s i g n a l s 图 4为本次采集地震波 形和直达波速 度求取 图。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波 初至直线 , 从图中可以看 出直达纵波速度为 5 0 0 0 m / S , 直达横波速度为2 7 8 0 m / s 。 利用直达波速度可基本 确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度 背景值。 深度偏移处理为 MS P处理的核心部分。 在给定 图 4 现场实采波形及直达波速度拟合 Fi g ur e 4 S i t e r e a l wa v e f o r m a n d d i r e c t wa v e v e l o c i t y fit t i n g 速度模型的条件将来 自前方介质 的反射能量偏移归 位至空间点上 ,以此成果图件为基础提取巷道前方 反射界面。 基于直达波速度 。 本次均匀横波速度背景 值取值为2 7 8 0 m / s 。由于采用炸药震源, 探测距离较 远 ,整体 探 测 距 离达 到 1 6 8 . 5 m,其 中 已揭露 区 6 8 . 5 m, 未揭露区 l O O m。图 5为 S V波深度偏移处理 结果图 R 5I - 、 I 匡 羔 苎 量 二 三 I 粉 _ 导 豪 图 5 MS P深度偏移结果图 S V波 F i gu r e 5 M S P d e p t h mi g r a t i o n r e s u l t s S V 从图中可以提取出 5个异常界面 , 分别为 迎 头前方 2 2 . 5 m 、 R 2 迎头前方 4 0 . 5 m 、 R。 迎头前方 5 4 . 5 m 、 R 迎头前方 6 4 . 5 m 、 R 5 迎头前方 9 8 . S m 。结 合地质资料 , 5个异常界面解释为小断层。 3 . 3结 果验证 与评 价 根据现场掘进实测剖面资料 , 2 l 煤试采区回风 巷 的 2 0 1 0 0 3 0 2迎头处 测点 W2 0 8 7 . 9 m前方 1 0 0 m范围内存在 5个小断层 , 分别为 ①迎头前方 2 8 .7 m处存在一小断层L7 0 , 落差 日为 0 . 3 0 m ②迎头前方 4 3 .4 2 m处存在一小断层 8 0 , 落 差 为 0 . 4 0 m; ③迎头前方 5 0 . 3 2 m处存在一小断层 8 0 。 , 落 差 日 为 0 . 4 0 m 中 国 煤 炭 地 质 第2 3 卷 ④迎头前方 6 2 . 5 2 m处存在一小断层/-_ 8 0 , 落 差 日为 0 . 3 0 m ⑤迎头前方 9 4 . 7 8 m处存在一正断层/_ 7 3 。 , 落 差 为 1 . 4 0 m。 通过与现场结果验证对 比, MS P探测异常界 面 个数与实际情况吻合 良好 , 界面距离误差 月 、 、 月 、 、 5分别为 6 . 2 m R 、 2 . 9 2 R 2 、 4 . 1 8 m R, 、 1 . 9 8 m R 、 3 . 7 2 m R 。 最大界面距离误差为 6 . 2 m, 超前探 测 1 0 0 m的误差率 6 . 2 %。 4 结 论 从对 比分析结果得 出, MS P超前探测技术在龙 东矿应用较好 . 探测界面准确 , 界面距离最大误差率 小于 1 0 %。 表明 MS P技术对巷道安全掘进起到很好 的指导作用 , 可以有效地指导巷道施工 。但是 MS P 技术仅仅运用了地震波 的运动学特性 ,若需进一步 对评价异常界面的走向和倾角参数精度 ,还需结合 动力地震学的属性参数分析。 参考文献 【 1 】刘盛东 , 郭 立全, 张平松. 巷道前方地质构造 MS P法超前探测技术 与应用研 究『 J 1 . 工程物理学 报 , 2 0 0 6 , 6 3 4 2 8 4 4 2 . [ 2 ] 刘盛东 ,郭立全. 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[ 5 】 吴建宇 , 张创业. 平 煤十二矿矿井震波超前探测技 术 MS P 应用研 究f J ] . 煤炭工程 , 2 0 1 0 2 4 6 4 8 . 上接第 4 6页 图 4 叠 后 偏移 处理 效 果 图 Fi g ur e 4 Po s t s t a c k m i g r a t i o n p r o c e s s e d r e s u l t s c ha r t 由此可见 , 对于构造复杂区, 三维地震叠前时间偏移 能够取得 良好的效果 。 8 结论 通过对于三维地震叠前时间偏移技术的理论基 础、 实践方法 、 应用条件及关键技术等方面知识的系 统研究 , 结合相关应用效果分析不难看出 , 在煤矿采 区 , 针对复杂构造地 区和陡倾角地区 , 在做好精细预 处理 、准确求取速度场及选取合理处理参数 的基础 上 . 应用叠前时间偏移技术 , 可以准确解释断层位置 和断块之间的关系 , 提高勘探精度 , 解决叠后时间偏 移在复杂地 区成像质量不高的问题。三维地震叠前 偏移技术在今后我国煤矿采区三维地震勘探过程中 有着很好的应用前景 。 参考文献 【 1 】 李 庆忠, 张进 . 岩性油气 田勘探一河道砂 储集层 的研 究方法【 M] . 山 东 青岛 中国海洋大学 出版社, 2 0 0 6 . 【 2 】 美 渥 伊尔马滋. 地震资料分析 地震资料处理 、 反演 和解 释 上下 册 [ M] . 刘怀 山, 王克斌 , 童思友 , 译 .北京 石油工业 出版社, 2 0 0 6 . 【 3 】王棣, 王华忠, 马在 田, 等. 叠前 时间偏移方法综述[ J I. 勘探 地球 物理 进展, 2 0 0 4 , 2 7 5 3 1 3 3 1 9 . [ 4 ] 刘立彬, 李振春. 叠前时间偏移技术在东营凹陷北 部陡坡带砂砾岩 体成像 中的应用『 J 1 . 地球物理学进展, 2 0 0 7 , 1 0 , 2 2 5 1 5 7 1 1 5 7 7 . 【 5 ]张颖. 三维地震叠前时 间偏移处理技术应用 与展望I J 1. 石油勘探 与 开发, 2 0 0 6 , 3 3 5 5 3 6 5 4 1 . 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