煤层采后围岩破坏规律的声波CT探测.pdf

第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 1 年4 月 煤 炭 学 报 J OURNALOFC HI NA COAL S OCI E TY Vo 1 ． 2 6 No 2 Ap r ． 2 0 01 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 1 0 2 0 1 5 3 0 3 煤层采后围岩破坏规律的声波 C T探测 程学 丰 ， 刘 盛东 ， 刘登宪 1 ． 淮南工业学院 资源与环境工程系，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 淮南矿业集团，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要论述 了淮南孔集矿 一 2 5 0 m水平西二、西四采区A组煤试采过程 中，在地面与煤矿井下 巷道之间，采用声波 C T方法，根据不同岩石物理力学性质对声波波速传播的差异性原理，对煤 层采后顶板破坏最大导水裂隙带高度和底板破坏深度等围岩变形破坏情况进行探测和解释 ，所得 参数经钻探验证证实．为煤矿的防治水和安全生产提供了科学的依据． 关键词煤层开采；C T成像；声波探测；围岩破坏规律 中图分类号 P 6 3 1 ． 8 1 4 文献标识码 A 受上覆含水层及底板岩溶水双重威胁的煤矿，由煤层开采引起的围岩变形破坏研究，主要确定m-q “ 参 数，即煤层顶板最大导水裂隙带高度和底板破坏深度． 长期以来，测定覆岩导水裂隙带高度及底板破坏深度的方法，主要采用钻孔冲洗液简易水文观测分析 法和注水实验法． 该法成本高，擅工难度大，所获数据受操作人员经验等因素制约．近年来，随着科学发 展和技术进步，产生和发展了许多新的探测技术和方法．声波C T层析成像技术便是其中之一．它可以采 用人工激发的声波 ， 通过被检测介质的传播，利用传感器接收探测数据，依据一定的物理和数学关系反演 物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图像⋯． 1 探测区的地质概况 淮南孔集井田含煤地层为二叠系山西组和下石盒子组，含可采煤层 1 5 层，分 A，B ，c三组．下部的 A组煤层属山西组， 有可采煤层 A | ，A 3 两层，地层倾角6 5 ，为急倾斜煤层． A组煤底板为石炭系太原组和奥陶系石灰岩岩溶含水层．煤系上覆第四系松散层含有 l 9 ． 0 ～2 3 ． 0 m 厚的含水砂层，为孔隙承压含水层．因此，A组煤开采受第四系含水砂层水及底板岩溶水突水的双重威 胁． 在孔集矿 一 2 5 0 m水平西二、西四采区A组煤试采过程中，采用井、地之间声波 C T探测方法，以探 明A组煤采后工作面顶板岩层导水裂隙带高度和底板岩层破坏深度等围岩破坏、移动变形的参数． 2 声波 C T探测的工程布置 本次声波 C T探测采用的仪器设备为日 本 O Y O． Mc s e i l 7 0 f 型智能地震仪以及美国E G G公司特制的 孔中固定压电传感器串．仪器的工作参数 通道数为 2 4 道； 采样间隔为 1 2 5 ； 增益为固定 4 8 d B 自动 增益；采样频带为 2 0 0 0Hz 低通 ； 采样长度为 2 0 4 8点 ； 采样延迟为 0i r k s ． 为了能同时探测到煤层顶、底板岩层的破坏情况 ， 分别在井下 一 2 5 0 m水平西二、西四采区的排水巷 道内， 选取两个近水平的深约7 0 m的疏水降压钻孔作为接收测线，在孔内各放置一组 2 4 声道的声波传感 器。道间距 2 ． 0 m．在对应的地面上各取 2 4 0 ． 0 m长作为激发测线， 激发点间距 5 ． 0 m．依次在地面上的 每一个激发点放炮，井下2 4 道传感器同步接收．每次声波探测数据采集完成后，在室内采用 自 行研制的 收稿 日期 2 0 0 0 1 1 0 3 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 1 年 第2 6 卷 “ K C 2 0 0 0 声波处理解析软件”对数据进行文头编辑、道数据编辑、二次采样、噪声剔去、频谱分析、数 字滤波、希尔伯特分析、初至识取、S I R T法c T反演等处理过程将数据信息转化成图像，结合实际地质 资料进行解释． 3 探测成果解释 由于岩石的声波波速与岩石的物理力学性质有显著的相关性 ，声波波速与岩石的抗压强度成正比关 系，波速增高，岩体强度增加，岩体完整性好；波速降低，岩体强度减小，岩体完整性降低．因此，将声 波走时层析成像的波速切面与地质剖面相结合进行对比，可得探测结果． 井、地声波 C T探测 ，选取孔集矿 一2 5 0 m 水平西二、西四两个 A组煤试采区 ，先后于 1 9 9 8年 3月 和 1 9 9 9 年 1 2 月2 次进行声波 C T探测．首次cr 探测时， 西二采区A 】 煤已回采了一、二阶段； 西四采区 A组煤尚未开采．第 2 次探测时，西二采区 煤一、二、三阶段均已采完；西四 采区A】 ， 。 煤一、二阶 段同时回采已结束．探测结果切面图共 4张，西二、西四采区各 2 张．如图 1 所示 由于篇幅所限．均为 局部切面图 ．根据图像、波速以及地质资料进行解释，得出以下结论 图 1 声波 Cr切面 F i g- 1 S o u n d wa v e盯 a 西二第 1次； b 西二第2次； c 西四第 1 次 ； d 西四第 2次 1 西二采区A 1 煤单一开采，探测切面内最大导水裂隙带高度为3 6 ． 6 IT l 如图 1 a ，A 1 ，A 3 煤 问距 4 ． 0 --5 ． 0m ， 该裂隙向上顺 A 3 煤产生 “ 抽冒”现象，高度略偏大．西四采区Al ， 煤同时回采 ， 探测切面内最大导水裂隙带高度为3 3 ． 6 IT l 图 1 d ． 2 西二、西四两次声波C T探测表明，无论 A 1 ， A 3 煤单一开采，还是同时开采，均在各阶段发育 了各自独立的冒落带及导水裂隙带，与传统的两带轮廓概念截然不同． 3 西二、西四采区煤层底板破坏深度一般为 6 ． 0 ～8 ． 0 m，最深处可达 1 1 ． 0 m． 4 声波 C T探测切面图上，煤层顶、底板破坏角反映清晰[ ，西二和西 四采区的顶板破坏角为 6 3 。 左右 ，底板破坏角为 5 7 。 左 右． 5 声波 C T探测证实，西四采区A组煤底部发育的 断层，为一倾角6 0 。 左右的正断层 图1 C ， d ．该断层距 A 1 煤底板约 4 0 m 法线方向 ，由于距离底板破坏带较远， 所以没有受到A 1 煤采后影响 而产生任何位移或变动现象 4 钻探验证情况 西二、西四采IXI作面回采后 ，该矿在西二采区上方地面施工 3 个裂高探测钻孔，西四采IX I- 方地面 维普资讯 第 2 期 程学丰等煤层采后囤岩破坏规律的声波 C T探测 施工 5个裂高探测钻孔． 西二采区 A 1 煤一、二阶段工作面回采后，钻孔探测最大导水裂隙带高度 裂高为 3 6 ． 2 m，而声波 C T探测裂高为 3 6 ． 6／／ 1 ，两者相差 0 ． 4 m，因此可以认为采用声波 C T 方法探测的裂高值是可信的． 西四采区钻孔探测裂高值分别为3 0 ． 0 ，3 2 ． 0 ，3 6 ． 0和3 6 ． 6 12 1 ，声波C T探测裂高为3 3 ． 6 12 1 ．两者探 测结果有差异，主要原因是钻孔探测和 C T探测的时间和位置不一致．如果两者探测时间和位置大体上一 致，可以相信，两者的探测结果会更趋一致． 一 5 结 论 淮南孔集井田一 2 5 0 12 1 水平西二、西四采区A组煤采后顶、底板岩层破坏声波 C T探测切面图像，对 围岩破坏、岩层移动变形的带有明显的波速差异显示．依据 C T切面图像解析能够确定最大导水裂隙带高 度及底板破坏深度等围岩破坏岩层移动的相关参数．同时，图像上也能清晰地显现用钻孔无法探测了解到 的急倾斜煤层各阶段工作 面回采后各 自产生的导水裂隙界面形态 ，而且还能清晰地反映煤层底板岩层中发 育的断层的倾角、断距及其展布情况． 通过本次试验证明，在煤矿井下和地面之间，采用声波 CI “ 方法，探测煤层采后围岩变形破坏 的规 律，图像直观，数据准确，效果显著． 参考文献 [ 1 ] 刘盛东，李承华．地震走时层析成像算法与比较 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 O O 0，2 9 2 2 1 1 --2 1 4 ． [ 2 ] 李栖凤 ． 急倾斜煤层开采 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社，1 9 8 4 作者简介 程学丰 1 9 5 1 一男 ，江苏徐州人，高级工程师，1 9 7 5年毕业于淮南矿业学院，一直从事教学与科研工作，现任中国 煤炭学会矿井地质专业委员会学术秘书，发表 “ 我国矿井采区探测技术的新进展”等论文 1 0余篇． S o u nd - wa v e CT d e t e c t i o n f o r f a i l u r e pa t t e r n s o f s u r r o u nd i n g r o c k a f t e r mi ni n g CHENG Xu e qe n g ，LI U S h e n g - d o n g l ， L I U De ug 一 i a n 2 1 Hu a i a nI n s t i t u t e o fT e c h n o lo g y， Hi n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a；2． mnMi n i n gGr o u p0 L t d． mn 2 3 2 0 0 1 ，Ch i na Ab s t r a c t B a s e d O F t t h e d i f f e r e n c e i n s o u n d w a v e s p r e a d i n g v e l o c i t y t h r o u g h r o c k s 0 f d i f f e r e n t p h y s i e o - me c h a n i ，S o un d wa v e d e t e c t i o n a s we l l a s t he i n t e r p r e t a t i o n o f t h e r e s u l t s ，i s ma d e ，d u r i n g t h e t r i a l e x t r a c t i o n o f Gr o u pA 8 e a l T ／ i nWe s t N o ． 2 a n dW目t No ． 4 s e c t i o n s O n一2 5 01 2 1 l e v e l o f Ko r j i C o a l Mi n ei nHu a i n a n ． o f t h e b e h a v i o r of t h e r o c k s u r r o u n d i n g the S e a l T l a f t e r mi n i n g，s u c h a s t he ma x J mu a T t wa t e r - c o n d u c t i n g f i s s u r e h e i g h t of the r o o f a n d t h e f a i l u r e d e p t h o f t he fl o o r ． Ve r i f i c a t i o n is g i v e r i b y t h e s u ] u e n t e x p l o rat i o n s o f t he p a r a ／ l l e t eA s o b t a l n e d．Th i S t e c h n i q u e o f f e r s s c i e n t i f i c b a s i s r wa t e r p r e v e n t i o n a n d h a r n e s s i n g a n d s a f e p r o d u c t i o n i n c o a l mi n as． Ke y wo r d s c o a l e x t r a c t i o n；CT i ma g e f o r ma ti o n；s o u n d wa v e d e t ect i o n ；f a il u r e p a t t e rns of th e s u r r o u n d mg r o c k 维普资讯