瑞利波探测技术在金龙煤矿中的应用.pdf

科学技术创新 2020.24 瑞利波探测技术在金龙煤矿中的应用 位新建 （郑州煤炭工业 （集团） 磴槽矿业有限责任公司， 河南 登封452470） 郑煤集团金龙煤矿井田位于荥巩煤田西部大峪沟井田深 部， 地层属华北地层区豫西地层分区嵩箕地层小区， 目前主要 开采二叠系山西组二1煤层和石炭系太原组一1煤层， 二1煤层 属典型的豫西三软不稳定煤层。区内构造受嵩箕区构造型式的 制约， 发育有多条断裂构造及滑动构造， 地质条件复杂。因受断 层和滑动构造发育的影响给开采带来了很大难度， 随着矿井开 采机械化、 自动化、 信息化、 自能化的程度越来越高， 对井下地 质构造的预测， 提出了越来越高的要求。仅靠传统的地面勘探 和井下钻探技术， 难以满足当前安全生产需要， 为推广新型物 探手段的应用。为此， 集团公司特邀请中煤科工集团西安研究 院来我矿做瑞利波探测技术试验。 1 瑞利波探测原理 瑞利波探测技术是通过采集人工地震波所携带的地下信 息来分析地层结构， 其采用的方法是面波频谱分析法， 也叫瞬 态法， 它是由震源产生一定带宽的脉冲， 通过测线上相距震源 不同距离的两个接收传感器，把信号采集到瑞利波仪的记录 中， 利用 FFT （快速付里叶变换） 和频谱分析技术， 通过相干函数 的互功率谱相位展开谱， 从而得到某两个记录信号在不同频率 下瑞利波在传播过程中由于时滞而产生的相位差， 根据两路不 同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。 由 A， B 两点 的已知距离， 便可求得不同频率瑞利波的相速度， 同时由此得 到该点的频散曲线。 2 瑞利波探测施工方法及特性 2.1 瑞利波探测施工方法 YTR （D） 瑞利波探测仪采用了瞬态法瑞利波勘探方法， 仪 器具有防爆性能， 既可以应用于矿井地质构造勘探， 又可以应 用于地面工程勘探。瞬态法瑞利波勘探的工作过程是在放炮点 上产生一个瞬态冲击振动作为震源， 该震源产生一定频率范围 的瑞利波，不同频率和振幅的瑞利波叠加在一起向前传播， 在 距震源 Δx 处的测线上， 采用纵观测系统， 即震源和传感器排列 在一条直线上，以道间距为 Δx安置有两个或两个以上单分量 加速度传感器， 对于布置传感器的道间距 Δx， 理论上讲 Δx越 大， 所接收瑞利波频谱的低频成分越丰富， 对加大勘探深度非 常有利。如果 Δx太小，所接收的各道信号就没有足够的相位 差， 从而无法保证资料处理。由于施工现场条件限制， 应视施工 现场场地大小来决定 Δx， 在通常情况下， 道间距 Δx布置约为 100cm 左右。震源激发点距第一个传感器 Δx也布置约 100cm 左右， 如图 1 所示。 图 1 施工布置示意图 2.2 瑞利波的特性 （1） 在分层介质中， 瑞利波具有频散特性；（2） 瑞利波的波长 不同， 穿透深度也不同；（3） 瑞利波在不同介质的岩层中， 传播速 速存在较大差异；（4） 瑞利波具有能量强， 频率低， 传播速度低， 容易分辨等特点。 3 井下试验 本次中煤科工集团西安研究院采用 YTR （D） 瑞利波， 对我 矿二 1 煤层预揭煤巷道 22071 下付巷外段及一1煤层 12141 下 付巷 （半煤岩巷道） 迎头超前探测两次。 3.1 试验 （1） 探测地点。一1煤层 12 采区 12141 下付巷迎头 （下11测 点西 34.6m 处） 。 （2） 地质情况。12141 工作面为 12 采区首采面， 工作面上、 下付巷掘进期间采用 3m2m 矩形支护，净断面 6m2，一次成 巷， 裸巷支护。 工作面一1煤层裂隙发育， 富含黄铁矿结核， 煤厚 0.35～1.8m，平均 0.85m，煤层存有 1～2 层夹矸，矸厚 0.1～ 0.2m。煤层顶板 L1-3灰岩层面含炭质，裂隙发育被方解石脉充 填； 底板铝质泥岩， 裂隙发育， 含黄铁矿结核。 工作面北部发育有 F32正断层（倾向近西南，落差 0～30 米） ,西北部发育有 F1202断层 （倾向近东北， 落差 9 米） 。受 F32正 断层发育影响， 工作面掘进、 回采期间共计揭露小断层 20 多条、 小型向斜 2 个， 断层均为高角度正断层， 落差在 0.2～1.8m 范围 内， 倾向大多为近西南、 西北向， 部分地段断层呈组合断层形式 发育 （地垒构造） ； 在断层密集带发育有小型向斜及复式向斜构 造， 向斜的发育造成两翼煤层倾角达29， 两翼跨展约 32～ 50m。以上构造的发育给工作面的回采、 顶板的管理、 水害的防 治、 资源的回收均有一定影响。 摘要 在煤矿生产过程中， 地质构造是影响煤矿安全和高产高效的主要因素， 如果工作面内存在不明地质构造， 就会影响 工作面的开采速度和煤炭质量， 严重者还会诱发其它灾害事故， 文章介绍了瑞利波的探测技术原理、 探测方法、 分析方法， 并通过 在金龙煤矿22071下付巷外段、12141下付巷两处地点的试验， 圈定出地质异常区域地点， 揭示了以上地点的隐伏构造的位置。 实 践表明， 利用瑞利波探测技术能够有效地探测出矿井各地区地质构造情况， 能够成为今后地质构造探测的有效手段。 关键词 瑞利波； 探测； 地质异常区 中图分类号 TD17文献标识码A文章编号2096-4390（2020）24-0004-02 作者简介 位新建 （1987-） ， 男， 汉族， 河南人， 项城， 毕业于河南理工大学高职学院， 研究方向 矿井地质及矿井设计。 4-- 2020.24 科学技术创新 （3） 探测目的。探测前方构造情况。 （4） 探测模式。超前探测 （半煤岩巷） 。 （5） 探测结果。如图 2 所示。 图 2 12141 迎头超前探测成果图 图 3 22071 下付巷外段超前探测成果图 3.2 试验 （1） 探测地点。二1煤层 22 采区 22071 下付巷外段迎头 （下 1测点东 29.5 米处） 。 （2） 地质情况。22 采区位于我公司井田东部， 为 21 采区接 替采区， 主体上山工程已施工完毕， 目前正在施工相关车场及 揭煤巷道。22071 下付巷外段位于 22 采区下部， 为 22 采区中四 车场辅助揭煤巷道。根据现有掌握地质资料显示， 该区地质构 造复杂， 断层发育， 在 22071 下付巷外段附近发育有 F2204、 F2203、 F1103三条断层； F2203、 F1103断层在 22 采区轨道上山、 22 采区皮带 上山均有钻探控制点， 两断层西部尖灭端均有向 22 采区回风上 山发育趋势； F2204断层在 22 采区石门、 22 采区回风上山有钻探 控制点， 断层东部尖灭端有向 22 轨道上山发育趋势； 且 22071 上付巷外段需在 22 采区回上山开口， 立交过 22 采区轨道上山、 22 采区皮带上山， 受限于此段地质构造的发育， 为 22071 下付 巷外段掘进期间埋下了安全隐患。 （3） 探测目的。探测前方构造情况。 （4） 探测模式。超前探测 （预揭煤巷道） 。 （5） 探测结果。如图 3 所示。 4 探测成果分析 瑞利波数据处理后首先得到频散曲线， 当出现不同介质的 分界面时， 频散曲线会出现一个 “之” 字形拐折。所以在依据频 散曲线进行地质分析时， 一般认为 “之” 字形拐折的中点为地层 的分界。由于在探测采用的是人工震源， 人工震源本身存在不 稳定性， 常常会造成频散曲线的不稳定， 在同一测点上的多次 锤击， 也会使频散曲线 “之” 字形拐折的深度出现离散性。为消 除震源不稳定性对频散曲线的影响， 采用频深转换法， 用专业 的 YTR （D） 瑞利波探测仪配置的数据处理软件进行数据处理得 到深度曲线图 （图 2、 图 3） 。 12141 下付巷迎头超前探测位置在下11测点西 34.6m 处， 采用等间距探测模式， Δx 布置为 50cm 左右。从图 2 可以看出 超前探测 80 米范围内， 22 米处有一个异常跳动， 经分析以上一 处跳动点可能会有构造或地质分层； 22071 下付巷外段探测位 置在下1测点东 29.5m 处，采用等间距探测模式， Δx 布置为 60cm 左右。由图 3 可以看出超前探测 80m 范围内， 10m、 25m 处 分别有 2 个异常跳动， 根据探测结果， 经分析以上 2 处可能会有 构造或地质分层。 5 实揭揭露与瑞利波成果对比 5.1 12141 下付巷迎头超前探测 根据物探报告显示在迎头前方 22 米处有异常跳动点， 以上 异常跳动点已经巷道实揭， 巷内未发现异常地质条件变化现象。 根据周边地质资料分析 12141 下付巷物探地点前方 36 米处为 1119 钻孔， 据钻孔资料显示， 1119 钻孔揭露奥灰 19.77 米 （奥灰 裂隙发育， 被方解石充填） ， 从奥灰顶面向下 7.73 米处揭露 0.8 米厚铝质泥岩 （钻孔柱状岩性描述为 深灰色， 含较多黄铁矿结 构及散晶， 具滑面） 。从勘探资料显示 12141 下付巷北部发育有 F32正断层 （走向 2900， 落差 0～30 米） ， 在 12141 下付巷掘进至 距 F32断层西部尖灭端 130 米范围内， 经巷道实揭和钻探控制此 段为断层发育地带。经综合分析， 1119 钻孔奥灰内发育铝质泥 岩， 为断裂带断层搓动所致， 所以物探结果显示有异常跳动点。 5.2 22071 下付巷外段超前探测 根据物探报告显示在迎头前方 10 米、 25 米处分别有两处 异常跳动点。根据 22071 下付巷外段周边地质资料进行分析 22071 下付巷外段位于 22 采区下部，在 22 采区三条上山工程 施工期间， 掘进岩层受构造影响常有揉搓和反倾现象， 揭露和 钻探控制断层共计六条， 其中 F1103正断层 （断层产状 走向近东 西， 倾向北， 倾角 74～970， 落差 11～17 米） 发育在 22071 下付 巷外段附近， 因此 22071 下付巷外段附近地质条件较为复杂。 本 区因受断裂构造和滑动构造影响， 造成二1煤层赋存不稳定， 实 揭掘进期间常出现煤层被挤压揉搓、 煤层底板起伏变化较大等 现象，但未发现有明显断裂构造发育。因此以上两处异常跳动 点为构造影响所致。 6 结论 6.1 YTR （D） 瑞利波探测仪具有携带方便， 操作简单， 探测 距离远， 一般大于 80m， 并有现场处理功能， 可在现场实时显示 探测处理结果， 可作为解决煤矿井下地质构造探测问题的一种 有效手段。 6.2 该仪器尚存的缺陷， 经专业软件室内处理后， 形成的深 度曲线数据， 和大多电法物探一样， 仅是物探的解释， 不能直接 明了判断前方构造的具体发育形态及具体地质参数， 不能确保 其有效的准确性。 6.3 通过瑞利波探测技术对煤矿井下进行超前探测，并结 合矿井实揭地质资料进行综合分析的方法， 能够作为井下地质 资料空白区域地质构造探测的一种技术手段， 是解决煤矿井下 地质构造探测的有效方法之一， 特别是在独头巷道和掘进超前 探测方面， 更有良好的应用效果和发展前景， 在今后地质工作中 应广泛推广使用。 5--