瑞利波超前探技术在瓦斯突出预测中的应用.pdf

★ 煤矿安全 ★ 瑞利波超前探技术在瓦斯 突出预测 中的应用 李 萍 中煤科 工 集 团西安研 究 院 ，陕西省 西安 市 ，7 1 0 0 7 7 摘 要 介绍 了瑞 利4 gm ,l 法在 阳泉煤矿 进行 瓦斯 突 出-Nm ,l 预 报 中的应 用，通过 对现 场 采集数据的处理、总结分析，以及开采验证 ，认为瑞利波超前探测技术可以有效发现 瓦斯聚 集区，对煤矿安全生产具有指导作 用。 关键 词 瑞利 波地球 物理超前探 测 瓦斯 突 出 中图分类 号T D7 1 2 ． 3 文献标 识码B App l i c a t i o n o f Ra y l e i g h wa v e a dv a n c e d d e t e c t i n g t e c hn o l o g y i n pr e di c t i o n o f g a s o u t b u r s t Li Pi n g X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l Te 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 。 X i a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 7 7 ，C h i n a Ab s t r a c t Th i s pa p e r i n t r o du c e s t h e a p pl i c a t i o n of Ra yl e i gh wa v e d e t e c t i on m e t ho d i n pr e di c t m n o f ga s ou t bu r s t i n Ya n gq ua n c o a l m i n e ． Ba s e d o n pr o c e s s i n g，s umm a r i z i n g a n d a n a l yz i n g o n t he i n s i t u d a t a a nd t he m i n i ng v e r i f i c a t i o n， i t be l i e v e s t h a t Ra y l e i g h wa v e a dv a nc e d de t e c t i ng t e c hn ol og y c a n e f f e c t i v e l y f i nd t he g a s ga t he r i n g a r e a，wh i c h h a s a gu i di n g m e a n i ng f o r c o a l m i n e s a f e pr o du c t i o n． Ke y wo r d s Ra y l e i g h wa v e，Ge o p h y s i c s ，a d v a n c e d d e t e c t i o n，g a s o u t b u r s t 瓦斯事故是煤矿井下开采作业面临的第一大灾 害，它具有发生突然、动力巨大 、伤亡力强 、波及 面宽等特点 。一般高突矿井在煤层及其顶底 围岩的 裂隙带中瓦斯贮存较为集中，形成富聚区 ，并随着 煤层地应力变化和裂隙拓展而运移。由于采掘作业 破坏了这些富集区 自然封闭体的完整性 ，就会造成 瓦斯涌出或动力突出。因此 ，抑制煤矿瓦斯类事故 发生 的频度 ，快捷 有 效 地 预测 瓦 斯 突 出地 质 构 造 ， 对 煤 矿安全 生产 显得尤 为重 要 。 1 探 测原 理 为保障采煤作业安全 ，需要在采前探测清楚瓦 斯聚 集 区段 ，并 做定位 预 抽放处 理 ，缓解 瓦斯 应力 聚集的强度 。 煤层中弹性波传递的速度和衰减率对 储瓦斯裂隙和周边应力封闭边界反应敏感 ，因此应 用瑞利波探测和判断工作面内瓦斯聚积分布成为可 能 。 瑞利 波属 于地震 波 中面波 的一种 ，它 主要 在岩 瑞利波超前探技术在瓦斯突出预测 中的应用 层 的表 面 进 行 传 播 ，约 占地 震 波 能 量 的 7 0 ，质 点 的振动 轨迹为 逆 时针运 动 的椭圆 ，如 图 1 所示 。 瑞 利 波探测 主要 是利 用瑞 利波 的两个 特性 一 是波在分层介质 中传播时的频散特性 ；二是波的传 播速度与介质的物理力学特性密切相关。 图 1 瑞 利波质点振动轨迹 瑞利波探测 技 术 目前有 两种 方法 ，一 种是 面 波 变频探测 法 ，亦 称稳 态法 ，其基 本 思想 是利 用 某一 波长的瑞利波相速度来表 征深度小于该波 长一半 x ／ 2 的地层平均 剪 切波 速 度 ，改 变 激 振器 的频率 从而得到不同波长的瑞利波，当曲线形态发生异常， 在 曲线异 常处 的深度 上就 可能 存在 地 质异 常体 或 岩 性界面。这种方法由于激振器较笨重 ，在某些工程 场地使用困难 ，特别是煤矿井下勘查时无法使用。 另一种方法是面波频谱分析法 ，也 叫瞬态法， 它 是 由人 工震 源激 发 出瑞利波 ，不 同频 率的瑞 利波 叠加在一起，以脉冲的形式传播 ，通过测线上的加 速度传感器接 收，通过 F o u r i e r 变换 、频谱 分析、 相干 函数 的互功 率谱 和相位展开谱 ，利用 多次覆 盖、多次叠加技术 ，从而得到瑞利波信号在不同频 率 厂的平 均速 度 V R。根 据 弹性 波理 论 的半波 理 论 得到探测深度 H，从而得到 HV R 曲线。瞬态法 瑞利波探测原理图如图 2 所示。 当波在分层介质中传播时，因为 V R 与介质特 性的密切相关 ，在岩层发生变化的界面就会出现波 阻现象 ，即产生瑞利波频散特性 。由此得到该测点 的 V R--2 R频散曲线 ，通过利用小波分析法对瑞 圆 利波频散曲线做出奇异性显示方式 ，使岩性介面分 层频散突变点在探测深度曲线上直观显示 出来 ，便 于做出物探异常推断解释 ，多道瞬态法瑞利波施工 布置 图见 图 3 。 机械震源 A、B⋯F 为传感器 图 2 瞬态法瑞利波探测原理 图 眵 基 座＼ 厂 I 厂 L ]r r 同r r r F ] L 】一 一 ～ I ． ～ I 一 一 L 图 3施 工 布置 不 意 图 瑞利 波探 测根 据实 地探测 的地 质条 件与现 场施 工的条件不同有多种施工方式 ，各种方式震源与加 速度传感器均布置在同一直线上。当施工地点较为 宽 阔 时 ，震 源 点 以 及 6个 接 收 点 的 间 距 均 为 1 0 0 c m；当施工地点 条件有限，如在掘进工 作面探测 时 ，一般 采用 道 间距 为 5 0 c m， 震 源 与第 一 道 检 波 器之 间 的距离 保持 在 1 0 0 c m 左 右 ；但 当截 面 直径 小 于 3 m 时 ，则 采 用 A、B 、C之 间 的距 离 为 2 O c m，D、E、F之 间的距 离也 为 2 0 c m，C、D之 间 的问距仍为 1 0 0 c m，震源和第 1个接收点之间的 间 距也保 持 1 0 0 C I T I 。 2阳 泉矿 区应用 实例 阳泉矿区位于新华夏系泌水 凹陷的东北边缘 ， 矿 井采 用主 井 为斜 井 、副井 为 立井 综 合开 拓方 式 ， 整 个井 田 ，大 体 呈 南 北 走 向 、 向西 倾 斜 的单 斜 构 造 ，地层平缓 ，但褶曲和陷落柱发育 ，地质构造相 对复杂 。井 田内含煤层数多，煤质变化程度高 ，在 成煤过程中伴随大量瓦斯的产生。 西安研究 院 与 阳煤 集 团合作 应用 YT R D 瑞利波探测仪在阳煤集团的一矿、二矿、五矿 、新 景和新元等矿 区开展超前预测预报 ，通过大量试 验，发现瓦斯聚集区对瑞利波探测结果会有一定的 影 响 。 图4 是在 阳煤 五 矿后备 区材 料巷 N2 1 点南 1 1 4 0 3 0 1 5 0 3 0 2 5 0 3 0 3 5 1 ． 0 m l 1 5 2 3 5 1 0 1 5 ■ _ ■ ■ ■ ■ ， ■ _ 一 2 0 ■ ● ●- 3 0 _- _ 4 0 ’一 50 产 l I f f 100 1 5 0 200 图 4 五 矿 后 备 区材 料 巷 掘 进 面超 前 探 测 曲线 图 西 1 6 m 处 工作 面进 行 的瑞 利 波超 前 探 测 。探 测 曲 线显 示在 1 7 m、3 5 m、5 0 m 处存 在 3处异 常 。经 验证 ，1 7 m 处 为 陷落 柱 的边 缘 ，绝 对 瓦 斯 涌 出量 异 常增大 ；3 5 m、5 0 m 处没 有 发 现 构 造 异 常 ，但 中国煤炭第 3 8卷第 8期 2 0 1 2年 8月 是瓦斯绝对涌出量均较高。五矿后备区材料巷工作 面 超前探 测验 证见 图 5 。 ＼ 7 N2I I 一 蠡 ， 图 5 五矿 后 备 区材 料 巷 工 作 面超 前 探 测 验 证 图 在 山西 阳泉新 景矿 南六 副巷掘 进工 作面 共进行 了 3次瑞利波探测 ，并对探测结果与实际揭露情况 进行了验证 ，图 6是阳泉新景矿南六副巷瑞利波探 测 异 常与 K。 值 、瓦斯 涌 出量对 比图 ，分 析得 出 1 2 0 1 0年 l 1 月 4日的瑞 利 波 探测 解 释 掘进 工作面前方 1 9 r r l 、2 8 m、5 1 m处瑞利波传播速度 变大，说明前方这 3处 可能有 地质分层或密度 变 化 。 经 过 连 续 观 测 1 1 月 1 3日观 测 ， 未 见 明 显 地质构造 。巷道掘进从 2 3 m 开始到 2 8 1 2 “1 ，K 值 异常增大，涌 出量异常增大 ， 2 7 m处异常与 K 值 和 瓦斯 涌 出量 有对 应关 系 。 2 1 1 月 1 3日的瑞利波探测解释掘进工作 面 前方 3 0 m、4 5 m 处瑞利波传播速度变大，说明前 方 可能 有地质 分层 或密 度变 化 。经过连 续 观测 1 2 月 3日观测 ，未见 明显地质构造 。巷道掘进从 开 始到 9 m、3 0 ～6 6 I n ，K， 值异常增大 ；巷道掘进 从 开始 到 2 7 r n涌 出量异 常增 大 其 中包 括 1 1月 4 日瑞利 波探测 解 释前方 5 1 I n处 的异常 。 3 1 2月 3日的瑞 利 波 探 测 解 释 掘 进 工 作 面 前方 1 4 m、2 4 m 处瑞利波传播 速度变大 ，4 5 1 3 3 ． 处瑞利波传播速度变小 ，说明前方可能有地质分层 或 密度 变 化 。经 过 连 续 观 测 1 2月 1 0 日观 测 ， 前方 3 2 m煤层增厚 ，4 5 i n开始有砂岩冲刷煤层顶 板 现象 ，煤层 疏 软 ，呈 小颗 粒状 夹石 下煤层 问有 明 显擦痕 ；巷道掘进 从 1 4 m 开始 K 值异常增大 ， 涌 出量 异常增 大 。 瑞利、撼 1 1 月4 日 1 1 月1 3 日 南六副巷 1 2 Y 1 3 日 异 常 唐 l l H ⋯I I 。 ⋯ ⋯⋯。 M 1l『 ⋯ Ⅳ Ⅳ 瞳 质 资 j i I l 煤 犀 倾 角 变 大 4 fH I 冲 刷 带 H _TnH 一‘ I 。 ‘ ． - 。 ‘ ⋯“ ’一 一。 一-- J 一一I ～jI J m l Ac一 【 ＼ I、一 ／＼ ． ／ ＼ ． t P 、 一 ⋯一 ， P、●一 l 、 J ＼， V 、 ，1 ， 、 ／＼0 ／一＼ J ＼f、 ，、 f ＼ 、 一 J l J V ＼／ 。 y y 、一 ～ V ， } Y Y 瓦斯 f 1 ， 、 JI ， 、 涌 出 { I J ／ 、 f 1 J1 I 、 J l ， ＼ JI L ， 、 r l ， ＼ f 1 ＼ ， 、 J t ， 、t t l＼ 、 r 、 ， ＼f l ，I ＼ ， 、 量曲 j J I ， 、 I l J I ， 、 线图 二次 1 1 用 日 2 7 m 』 1 3 日4 5 m ． 分 析 1 I H I ⋯⋯I l l l Ⅳ ⋯ I l ⋯ 异 常 点 3 结论 图 6 阳泉新景矿南六 副巷瑞利波探测异常与 K 值 、瓦斯涌 出量对 比图 瑞利波探测技术在阳泉煤矿的试验 ，开辟了探 测 瓦斯聚集 区域 的新 方法 ，经过 一年 多 的跟踪 探测 验证 ，总结出瑞利波探测异常与瓦斯地质的对应准 确率超过 6 o ，因此瑞利波探测技术可 以有效地 探测掘进面前方的瓦斯聚集 区，但还应该进一步加 强理论模型研究 ，寻找 K 值 、瓦斯涌出量与弹性 波速度 的关 系 ，进 一步认 识 聚瓦斯 地质 条件 的物性 差异 ，研究快速、大范围、高精度 的预测方法 ，努 力实现对掘进面突出危险地质体的超前预测和回采 瑞利波超前探技术在 瓦斯突 出预测中的应用 工作面的瓦斯聚集区分布准确探测 ，抑制煤矿瓦斯 类事故发生的比例 ，保障煤矿安全生产和煤炭行业 的集约化发展 。 参考文献 [ 1 ] 肖伯勋 ，李长征 ．瑞雷面波勘探技术研究述评 [ J ]． 地球物理学报 ，2 0 0 4 1 [ 2 ] 邱颖 ，任青文 ．瞬态瑞 利波勘 探技术 及其应 用述评 [ J ]．中国煤炭 ，2 0 0 4 3 [ 3 ] 柴华友 ，汪江 波，周一勤等 ．瑞 利波分 析方 法及应 用进展 [ J ]．岩石 力学 与工程学报 ，2 0 0 2 1 下转 第 1 1 8页 】 ] 5 损失效用 的期望值。本文共有 4个方案 ，见表 2 。 A方案 自留风 险 ；B方 案 风险 减缓 ，安 全措 施 成 本为 3 0 0 0元 的方 案 ；C方 案 风 险减 缓 ，安 全 措 施成本 为 5 0 0 0 元 的方 案 ；D方 案 投保 。 表 2 4个方 案的损 失金额 、效用值 、概率 和损失效用期望值 由 表 2 可 知 ， A 方 案 损 失 效 用 期 望 值 为 0 ． 9 7 0 0 9 ；B方 案损 失效 用期 望值 为 0 ． 9 8 8 0 4 ；C方 案损失效用期望值为 0 ． 9 9 1 0 2 ；D方案损失效用期 望值 为 0 ． 9 6 7 0 9 。 由上 可知 ，损失 期 望 效用 值 最 大 的为 C方 案 ， 投入 安全 生产 措施 成本 5 0 0 0元减 缓风 险 的方 案 。 4 结语 风 险管理 决策 与决 策者 的经 验 、主观偏 好具 有 很 大 的关 系 。效用 理论 应用 于风 险管理 决策 中 ，其 最大 的优点是在决策过程中充分考虑了决策者对待 风 险 的态 度 ，具有 较好 的可 操作 性和 实用 价值 。在 安全生产风险管理决策 中，应 用效用理论 和概 率 论 ，充分考虑 了决策者的风险偏好和风险概率，通 过计 算 不 同风 险处 置方 案 的损失 效用期 望值 ，定 量 评估风险处置方案 ，并 以此 为依据进行风 险型决 策 ，具有其他决策方法不可 比拟的优点 。 作者简介 赵 一 归 1 9 7 4 一 ，男 ，2 0 0 1年 毕 业 于中 国地质大学 ，硕士学位 ，现 任职于 国家安 全生 产监督 管理 总局信 息研究院 。 责任 编辑 张艳 华 上接 第 7 3页 沿底板 垂 直布置 锚索 ，锚 索规格 为 o 1 7 ． 8 mm1 0 ． 0 m，最后进行 浇 注 ，浇注 厚 度 约 3 0 0 mm，浇 注 时上好 配筋 。 5效果 唐 山 矿业 公 司 1 2号井 绞 车 房基 础 自加 固后 已 使用 两年 多 ，在这 期 间进行 了监测 ，从 监测 的数据 来看 ，1 2号井 绞车房基础没有出现过任何方 向的 位 移和 变形 。 参考文献 [ 1 ] 李 明远 ．软 岩巷道 锚注 支护理 论 与实践[ M]．北 [ 2 ] E 3 ] [ 4 ] 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 1 薛顺勋 ．软岩巷道支护技术指南 E M]．北京 煤炭 工业 出版社 ，2 0 0 2 董 方 庭 ．巷 道 围 岩 松 动 圈 支 护 理 论 及 应 用 技 术 E M]． 北京 煤炭工业 出版社，2 0 0 1 崔建井 ．软岩 大断面硐 室联合 支护施 工技术 [ J ]． 中国煤炭 ，2 0 1 1 1 作 者简 介 高晓东 1 9 6 1 一 ，男 ，河 北唐山人 ，工程 师 ，现任开滦唐 山矿业分公 司副总 工程师 。 责任 编辑张毅玲 上接 第 l l 5页 E 4 1 宋 先海 ．瑞 利波 频散 曲线 的正 反演 研究 I- D3．武 汉 中国地质大学应用地球物理系 ，2 0 0 1 E 5 ] 张碧星 ，肖伯勋 ，杨文杰 ．瑞 利波勘 探 中 “ 之”字 形频散 曲线 的形成机理及 反演研究E J - I．地 球物理 学报 ，2 0 0 0 2 E 6 ] 李锦 飞 ，李 人 厚 ．瑞 利 波勘 探 技 术 的发 展 与应 用 E J ]．煤炭学报 ，1 9 9 7 2 E 7 ] 夏宇靖 ，杨体仁 ，杨 战宁 ．瑞雷波勘探 方法的原理 、 特点及应用效果 E J ]．煤炭科学技术 ，1 9 9 5 3 E 8 ] 严寿 民 ．瞬态瑞 利 波勘探 方法 E J - I ．物探 与化探 ， 1 1 8 E 9 ] [ 1 O l 1 9 92 4 杨成 林 ．瑞 雷 波勘 探 [ M]．北 京 地 质 出 版社 ， 1 9 93 李增 学 ，魏 久 传 ，刘 莹 ．煤 地质 学 [ M]．北 京 地质出版社 ，2 0 0 5 作者简介 李 萍 1 9 7 1 一 ，女 ，山东曹县人 ，高 级工 程师 ，硕士 ，中国矿业大学 北京 毕业 ，长 期从 事地 球 物理勘探理论方法研究以及物探仪器产品研制。 责任 编辑 张艳 华 中国煤炭第 3 8卷第 8期 2 0 1 2年 8月