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突出煤层巷道随掘超前探测技术研究 霍晶晶1，查华胜2，苗园园2，梅欢2 1. 山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋城 045300; 2. 安徽万泰地球物理技术有限公司，安徽 合肥 230000 ［ 摘 要］突出煤层巷道在掘进过程中，会产生非常多的地震波信号，包含了丰富的瓦斯包信 息。基于地震波运动学原理，优化和改进突出煤层巷道随掘超前探测系统，以获取丰富的地震波信 号。通过建立不良地质体瓦斯包与突出煤层巷道随掘过程中地震波信号之间的地球物理特征响应规 律，分析、研究综掘机割煤过程中剪切作业产生的回波信号、煤岩体破裂信号特征，提出了突出煤层 巷道随掘超前预报技术，并以寺家庄煤矿 15110 工作面为例进行分析，结果显示巷道随掘超前探测结 果与现场测量情况吻合。 ［ 关键词］突出煤层; 随掘超前探测; 地震监测系统; 反褶积; 相关性分析; 三维反演成像 ［ 中图分类号］ TD175. 4［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201806- 0019- 05 Advanced Exploring Technology during Driving of Roadway with Outburst Coal Seam ［ 收稿日期］ 2018－06－19［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 06. 005 ［ 作者简介］ 霍晶晶 1985－ ，男，山西阳泉人，工程师，主要从事地球物理探测、通风与瓦斯治理。 ［通讯作者］ 查华胜 1986－ ，男，主要从事地震、电法勘探技术研究。 ［ 引用格式］ 霍晶晶，查华胜，苗园园，等 . 突出煤层巷道随掘超前探测技术研究 ［J］． 煤矿开采，2018，23 6 19－23. 矿井突出煤层巷道随掘超前探测是一项技术复 杂、受现场环境干扰较大的一种地球物理探测工 作。吕绍林、何继善等 ［1 ］采用无线电波透视法和 槽波地震法的区域性瓦斯突出预测及地质雷达法和 层内电测深法的局部性瓦斯突出预测; 文光才、赵 旭生等 ［2 ］利用电磁波透视法结合瓦斯地质统计法 预测突出危险区域;张许良、彭苏萍等［3 ］利用三 维地震勘探法预测瓦斯突出危险带; 汤友谊、孙四 清等 ［4 ］应用斜率方差分层、概率统计计算方法， 测井曲线计算查明突出矿井构造软煤分布规律; 彭 苏萍、高云峰等 ［5 ］应用 AVO 技术检测煤层割理裂 隙、预测煤层瓦斯富集部位;姚军朋、司马立强 等 ［6 ］基于地球物理测井定量判识构造煤、预测瓦 斯突出。 目前，矿井突出煤层巷道超前探测主要采用电 磁波法和传统地震法探测巷道迎头前方瓦斯异常区 域。但电磁波法会受到现场杂散电流及电气设备干 扰，造成较多的瓦斯异常探测虚报，且超前探测距 离有限; 传统地震法主要是基于地面三维地震，当 瓦斯突出煤层埋深大时，地面三维地震法会受地下 构造、岩性影响探测结果。并且电磁波法和传统地 震法超前探测过程中，需停止现场生产活动 巷 道掘进作业工作等 ，严重影响了突出煤层巷道掘 进进程。为此，通过长时间的现场试验，研究突出 煤层巷道随掘超前探测地震学原理，利用最优的巷 道台站网，获取丰富的地震波信号，进行不同地质 体地震波响应特征分析及深度域绕射扫描偏移叠加 成像，对突出煤层巷道迎头前方的瓦斯包区域进行 分析、解释。 1地球物理响应分析 突出煤层中瓦斯是依附于煤岩体裂缝内，基于 岩石物理学分析，瓦斯突出煤层介质纵波速度 vp、 横波速度 vs、弹性模量 k、密度 ρ 计算公式［7 ］为 vp k 4 3 u ρ 槡 1 vs u ρ 槡 2 K 1 2 fg Kg 1 － fg Kc [] ［ Kgfg 1 － fg Kc］ {} 3 ρ f gρg 1 － fg ρc 4 式中，vp，vs分别为介质纵波速度、横波速度， km/s; k 为介质体积模量，是挤压应力与介质形变 的比值，GPa; u 为介质剪切模量，是剪切应力与 介质变形的比值，GPa; ρ 为介质密度，g/cm3; fg 为煤岩吸附气所占的百分比， ;Kg为吸附气的体 积模量，GPa;Kc为煤岩的体积模量，GPa; ρg为 甲烷密度，g/cm3 ; ρ c为煤岩密度，g/cm 3。 根据公式 1～ 4计算，当煤岩体裂隙 发育赋含瓦斯时，煤岩体的体积模量及密度随着瓦 斯含量的增加而降低，煤岩体的纵波速度降低、横 91 第 23 卷 第 6 期 总第 145 期 2018 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 6 Series No. 145 December2018 ChaoXing 波不发育，即煤岩体密度、纵波速度与瓦斯含量成 反比关系。地震波阻抗表征地层介质传播地震波的 能力，为介质速度与密度的乘积。突出煤层巷道综 掘机切割煤岩体时，因剪切作用产生的地震波在传 播过程中遇见含瓦斯较高的煤岩体时，相对于瓦斯 含量低的煤岩体，其地震波阻抗会急剧下降，产生 一个波阻抗突变区域，当地震波速降低百分比达到 10～ 16［8 ］，其地球物理响应达到可检测的程 度，且根据国际经验法则，地震波阻抗变化率大于 4，即可监测。因此，根据煤岩体波阻抗变化率， 进行巷道迎头前方瓦斯包地质区域探测。 2探测基本原理 突出煤层巷道在掘进过程中，综掘机切割煤体 会产生剪切作用，形成沿着巷道轴线方向传播的 P 波、垂直于巷道轴线方向的 SV 波、SH 波，以及 巷道迎头前方煤岩体破裂信号。综掘机剪切作用形 成的 P 波、SV 波、SH 波会沿着煤层向巷道迎头前 方传播，当遇见地质异常体 瓦斯包时，由于 地震波阻抗存在差异，会形成地震回波。因此，将 综掘机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随 掘超前探测的震源激发信号，通过布设单轴、三轴 阵列式地震传感器，并实时记录随采地震波形，分 析地震波的旅行时间、振幅、相位和频率，基于相 关干涉理论，利用深度域绕射扫描偏移叠加成像技 术，进行巷道随掘三维成像解释。 基于突出煤层巷道随掘超前探测特点，现场采 用具有煤安证、防爆证的地震监测系统进行实时数 据采集。一方面可以保证监测数据的质量，采用高 灵敏度的地震传感器以及低背景噪音的地震采集分 站，可以更真实且在高信噪比的条件下记录原始地 震波形; 另一方面可以达到实时采集，通过采用矿 井照明电给地震监测系统 24 小时不间断供电，保 证了巷道随掘过程中原始数据的时效性。 突出煤层巷道随掘超前探测系统台网布设如图 1 所示。在突出煤层工作面掘进巷 以进风巷为 例 迎头后方布设 1 套 24 通道地震监测系统，地 震传感器编号 S1～S8 三分量地震传感器 ，台站 间距 10m，布设于巷道工作面煤层壁帮。由于巷道 随掘过程中迎头后方 10m 之内安全性较差、10 ～ 20m 之内煤灰较大，因此，迎头后方第 1 支地震传 感器 S1 根据现场环境布设在迎头后方 10～20m 范 围内，迎头每推进 20m，最后 1 支地震传感器 S8 往前移动 80m，距离最新巷道迎头 10～20m，整个 监测系统随着巷道掘进而交替前移地震传感器。地 震传感器安装钻孔深度 3m，俯角孔 3，如图 2 所 示。 图 1突出煤层巷道随掘超前探测台网布设 图 2突出煤层巷道地震传感器安装 3地震波形处理 通过对突出煤层巷道随掘超前探测原始地震波 形数据进行预处理、旋转、滤波、初至拾取、能量 均衡、反褶积、相关性分析等，从震动波波场的角 度，利用地震波对地质体内部三维结构进行反演成 像，以实现突出煤层随掘巷道迎头前方的地质异常 体 瓦斯包探测，如图 3 所示。 图 3突出煤层巷道随掘超前探测数据处理过程 1建立地质模型基于监测区域煤层特性、 地震波传播路径原理，在现场主动击打试验的基础 上，且利用 VCT 速度模型校正技术，定义其煤层 地质模型 vp 纵波 、vs 横波 、ρ 密度 。 02 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 2坏道剔除、零漂归位原始地震波形在 实时采集的过程中，会出现少数地震道不可用，需 剔除坏道以及去除采集仪器本身的直流漂移影响。 3时频分析通过对原始地震波形进行时 域及频率域分析，获得有效波 综掘机切割煤岩 体剪切作用产生的回波信号及干扰波的频率特 性差异，通过陷波、带通滤波方式压制干扰信号， 提高原始波形数据的信噪比。 4地震信号反褶积处理反褶积，即反滤 波或者解卷积。通过压缩基本子波的长度，来压制 背景噪音和巷道里的多次波，以提高地震资料 时间域的垂向分辨率。突出煤层巷道随掘超前 探测系统布设空间存在限制，相对于煤层地震波 速，巷道地质异常体之间的空间距离在时间域上较 短，其地球物理界面间距一般为几米至几十米，它 们的到达时间差和子波延续时间重叠、与煤岩体的 微破裂信号彼此干涉，形成复合波而难以区分。因 此，为了提高地震波的垂向 时间域分辨能力， 便于波形识别，利用反褶积技术将每个界面的地震 波表现为一个窄脉冲，每个脉冲的强弱与界面的反 射系数的大小成正比，而脉冲的极性反映界面反射 系数的符号，即将延续时间较长的子波压缩成为一 个反映界面反射系数的窄脉冲，将复合波解析为多 个地震波，提高原始地震波形的垂向分辨率。 5地震信号相关性分析通过分析各道间 的相似程度、求取初至静校正时移量，进行地震子 波求取和相关滤波，去除微震采集分站影响，为巷 道随掘超前探测三维反演成像提供相关的数据道 集。 6巷道随掘超前探测三维成像基于其地 质模型，进行互相关处理，得到将巷道壁帮上的其 中一个微震传感器作为震源，其余传感器接收时的 格林函数，在互相关处理后，获得随掘巷道相关数 据道集，根据地震监测系统的传感器实时三维空间 坐标及震源点信息，进行巷道随掘超前探测三维反 演成像。 4应用效果分析 根据突出煤层巷道随掘超前探测台网布设原 则，于 2018 年 5 月 17 日至 5 月 24 日、2018 年 5 月 26 日至 5 月 31 日在寺家庄煤矿 15110 工作面进 风巷进行了超前探测试验。 4. 1巷道概况 15110 工作面 15 号煤层为回采煤层，工作面 标高 550～ 610m，煤层倾角 1 ～ 10，平均倾角为 4，直接顶、直接底均为砂质泥岩。煤层赋存较为 稳定，整体起伏变化不大，瓦斯含量整体较高，有 煤与 瓦 斯 突 出 危 险 性，预 计 最 大 瓦 斯 含 量 为 12. 0m3/t，预计最大瓦斯压力为 0. 4MPa，预计最 大瓦斯涌出量为 10m3/min。 4. 2数据处理 1地质模型建立基于寺家庄煤矿 15110 工作面煤层特性、地震波传播路径原理，在现场主 动击打试验的基础上，利用 VCT 速度模型校正技 术，定义其地质模型vp为 3000m/s;vs为 1800m/ s; ρ 为 1700kg/m3。现场击打试验原始地震波形如 图 4 所示。 图 4现场击打试验原始地震波形 2地震信号分析寺家庄煤矿 15110 工作 面进风巷随掘过程中出现的回波信号，如图 5 所 示。 图 5 15110 工作面进风巷随掘回波信号 3预处理对 15110 工作面进风巷的原始 地震波形数据进行坏道剔除、零漂归位以及时频分 析，如图 6 所示。进风巷随掘超前探测原始地震信 号主频 50～700Hz。因此，所设置的滤波器频率 也主要集中在上述主频内。 4反褶积、相关性分析通过对寺家庄煤 矿 15110 工作面进风巷随掘超前探测数据进行地震 信号反褶积处理及地震信号相关性分析，分别如图 7、图 8 所示。 12 霍晶晶等 突出煤层巷道随掘超前探测技术研究2018 年第 6 期 ChaoXing 图 6巷道随掘超前探测数据预处理 图 7地震波信号反褶积处理 图 8地震波信号反褶积处理 4. 3效果对比分析 根据突出煤层巷道随掘超前探测数据处理流 程，对寺家庄煤矿 15110 工作面进风巷原始地震波 形进行处理，获得其巷道随掘超前探测三维成像结 果。2018 年5 月17 日至5 月24 日随掘超前探测结 果如图 9 所示，并对其进行水平洞轴切片如图 10 所示; 2018 年5 月26 日至5 月31 日随掘超前探测 结果如图 11 所示，并对其进行水平洞轴切片如图 12 所示。图中色标表征归一化后的波阻抗变化率 单位 1 ，暖色调为波阻抗高变化率，当波阻抗 变化率大于 30 时，表征为瓦斯包地质异常区域。 图 915110 工作面进风巷 1139m 处随掘超前探测三维成像 图 1015110 工作面进风巷 1139 处 XOY 切片 0m 位置水平洞轴切片 图 1115110 工作面进风巷 1174m 处随掘超前探测三维成像 图 1215110 工作面进风巷 1174 处 XOY 切片 0m 位置水平洞轴切片 1 2018 年 5 月 17 日至 5 月 24 日随掘超前 探测分析寺家庄煤矿 15110 工作面进风巷随掘超 前探测迎头位置为 1139m，迎头前方瓦斯包预测异 常区域为1169～1174m。于5 月29 日4 点班，经现 场孔测量 K1值及钻屑量，显示瓦斯超标。K1值为 0. 5mL/ gmin1/2 、钻屑值为 3. 8kg/m，与随掘 超前探测结果吻合。 2 2018 年 5 月 16 日至 5 月 31 日随掘超前 22 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 探测分析寺家庄煤矿 15110 工作面进风巷随掘超 前探测迎头位置为 1174m，迎头前方瓦斯包预测异 常区域为 1202～1209m。于 6 月 4 日 8 点班，经现 场孔测量 K1值及钻屑量，显示瓦斯超标。K1值为 0. 73mL/ gmin1/2 、钻屑值为 3. 2kg/m，与随 掘超前探测结果吻合。 3钻孔瓦斯预测预报寺家庄煤矿 15110 工作面进风巷掘进过程中，地质物探和超前钻探未 出现构造，实际掘进过程中也未揭露构造，K1值实 测显示存在瓦斯异常，详见表 1。 表 1寺家庄煤矿 15110 工作面进风巷 K 1值实测 巷道已掘 进距离/m 测试时间循环数孔号 K1 值/ mL gmin1/2 －1 钻屑量/ kgm －1 煤层情况 1163. 6 5 月 29 日 4 点班 第 156 循环 6 单 元 第 9 循环 10. 5 6m 处3. 8 9m 工作面顶板下有 0. 1m 软分层，左中 0. 3m 疏煤，下部煤硬 1192. 4 6 月 4 日 8 点班 第 160 循环 6 单元第 13 循环 30. 73 10m 处3. 2 9m 工作面顶板下有 0. 05 ～ 0. 1m 软分层， 0. 4m 疏煤，下部煤硬 5结论 1突出煤层巷道随掘超前探测技术施工方 便，可长时间持续监测，不受巷道掘进机组、胶带 支架和巷道积水等影响，能与巷道掘进施工并存， 监测系统随着突出煤层巷道掘进而前移。 2煤层赋存高瓦斯，地震波在传播的过程 中，会出现非常大的地震波阻抗变化，基于此变化 率进行巷道迎头前方瓦斯富集区探测。 3将综掘机切割煤体所产生的地震回波信 号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，基于多 源地震理论及相关干涉理论，利用巷道随掘超前探 测三维成像技术进行时域、频域分析、相关干涉及 随掘地震成像，探测瓦斯异常带。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 吕绍林，何继善，李周波． 非接触式瓦斯突出预测方法 ［J］． 物探与化探，2000，24 1 23－27. ［ 2］ 文光才，赵旭生，康建宁． 区域预测新技术在采面突出危险预 测中的应用 ［J］． 煤炭科学技术，2002，30 3 15－17. ［ 3］ 张许良，彭苏萍，杨瑞召，等． 瓦斯突出危险带的三维地震探 测技术 ［J］． 煤炭科学技术，2003，31 12 12－15. ［ 4］ 汤友谊，孙四清，田高岭． 测井曲线计算机识别构造软煤的研 究 ［J］． 煤炭学报，2005，30 3 293 － 296. ［ 5］ 彭苏萍，高云峰，杨瑞召，等． AVO 探测煤层瓦斯富集的理 论探讨和初步实践以淮南煤田为例 ［J］． 地球物理学报， 2005，48 6 1475－1486. ［ 6］ 姚军朋，司马立强，张玉贵． 构造煤地球物理测井定量判识研 究 ［J］． 煤炭学报，2011，36 S1 94 － 98. ［ 7］ Domenico S N. 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