| 返回中國礦井物探網 | 返回華虹智能 |
 
Email:用戶名 @ kjwt.cn 密碼
 
新聞檢索
往期回顧
您現在的位置:第101期 -> 第三版 -> 新聞內容
礦井地震勘探技術在某礦南翼機軌合一巷道迎頭的應用
新聞作者:譚立海1  發布時間:2018-07-06  查看次數:  放大 縮小 默認
摘 要:地質構造一直是影響煤礦安全生產與高效生產的重要因素之一,在巷道掘進中如果存在地質構造(斷層、陷落柱等),則很大程度上會影響巷道的掘進進度,甚至會誘發各種煤巖動力災害,物探作為一種新的勘探技術正在被越來越多的使用,地震波法作為物探的一種主要方法在礦井地質勘探尤其是井下超前探測中發揮著重要作用。本文以福州華虹智能科技股份有限公司生產的礦井地質探測儀KDZ1114-6A30在井下的使用為基礎,以實際生產中的應用為例子,介紹地震波勘探的原理、井下使用方法、適用范圍、結果分析等,結合實際揭露相互印證,提高探測精度從而更好的為安全生產服務。
關鍵詞:地震勘探技術;超前探測;隱伏地質構造;地質構造預測預報;應用
1 前言
    巷道掘進過程中隱伏地質構造一直是巷道掘進重要因素之一,特別是在一些地質構造復雜、煤層薄、斷層多、傾角大的地區,地質構造使得煤層賦存發生明顯異常變化,不僅使回采掘進械化裝備的優勢得不到發揮,煤炭資源得不到充分利用,還為煤礦帶來很多難以預知的災害。如果能夠預先探查到巷道前方隱伏構造的發育形態及影響范圍,就可以提前選擇必要措施等行之有效的技術手段,從而在保證安全高效生產的同時,也保證了提高掘進速度,因此對巷道前方隱伏地質構造發育情況的超前預報工作顯得特別重要,為使超前預報工作更加準確,人們已經采用了多種物探方法對煤礦井下隱伏地質構造進行探查,例如直流電法、地震波勘探、三維地震法等,在眾多物探方法之中,地震波勘探法具有理論成熟、設備輕便、施工工藝簡單、數據采集方便快捷、所需勞動力少、探測距離大、探測效果顯著等優勢,成為探查隱伏構造效果最明顯、適用性最強、使用率最高的物探方法之一,得到廣大煤礦企業地測系統技術人員的認可和信賴。
2 地震波勘探技術簡介
2.1 地震波勘探原理
    不同巖層物理性質的差異,地震波在不同巖層中的傳播速度也不同。
2.11 地震波勘探的基本原理
    地震波勘探是由震源激發的地震波在向下或向前傳播時,遇到不同的波阻抗界面時,在界面處會發生反射,透射(折射)等現象,這些在不同波阻抗界面發生反射、透射(折射)的地震波可被排列于震源附近的檢波器所接收,從而形成可用于地震解釋的原始數據。
2.12 彈性介質和理論基礎
    某物體在外力作用下產生形變,當外力去掉之后,物體能迅速恢復到受力前的形態和大小,物體這種特性稱為彈性,該介質稱之為彈性介質。自然界大部分物質都可以在一定的外力作用下呈現出彈性的性質。
    在彈性理論的研究中,根據介質的不同特征可分為各向同性和各向異性兩類。所有彈性性質和空間方向無關的稱之為各向同性介質;反之則為各向異性介質。在礦井地震波勘探中,人工地震震源是在很短的時間內激發的脈沖式地震波,激發的能量對于探測前方的巖層和接收點處介質所產生的作用力較小,因此可以將它們看作彈性介質,并可以用彈性理論來研究地震波的傳播問題。研究表明,大部分巖、煤的機制在地震勘探中都可以看作式各向同性介質,從而可以利用一些基本彈性理論來進行地震波研究。
    在礦井地震波勘探中主要是研究人工激發的地震波在巖、煤介質中的傳播規律,以探測前方地質構造和巖層的分布等。研究的理論中,通常把巖、煤介質看作各向同性的彈性介質,把地震波看作彈性波——即將不完全符合真實情況的問題簡單化。
2.13 波的分類
    地震波可分為體波和面波兩大類。體波在介質的整個體積內傳播,根據共傳播特征的不同,又可分為縱波和橫波(通常縱波又被稱為p波,橫波稱為s波)。面波則沿介質的自由表面或兩種不同介質的分界而傳播,根據其不同性質,又可分為瑞利波和勒夫波等。現將各種波的特征分別討論如下。
(1) 縱波
    彈性介質發生體積形變(即拉伸與壓縮形變)所產生的波動稱為縱波。當縱波在介質中傳播時,會形成間隔出現的壓縮帶和稀疏帶,因此,縱波又稱壓縮波(或P波)。縱波的傳播方向和質點的振動方向一致。
(2) 橫波
    彈性介質發生切變時所產生的波動稱為橫波,即剪切形變在介質中的傳播,又稱之為剪切波(或S波),其特點是質點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。因此對于任意一個傳播方向,質點可以有無限多個振動方向,在研究中,通常可把橫波看作是由兩個方向的振動所組成,一個是質點振動在垂直平面內的橫波分量,稱為SV波,另一個是質點振動在水平平面內的橫波分量,稱之為SH波。
(3) 面波
    根據彈性力學理論,還有兩種僅存在于彈性分界面附近的波動—瑞利波與勒夫波。瑞利波是沿介質與大氣層接觸的自由表面傳播的面波。它的特點是,質點在通過傳播方向的垂直面內沿橢圓軌跡作逆時針運動,其橢圓長軸垂直于介質表面,長短軸之比大致為3:2,強度隨深度呈指數衰減,但在水平方向衰減很慢。在地震記錄中瑞利波具有頻率低、速度接近于橫波波速且衰減慢等特點,在一般地震勘探中是一種千擾波。但在表層介質的勘查中瑞利波具有特殊的作用。
    常用的礦井地震波探測方法:本文使用的儀器為礦井地質探測儀KDZ1114-6A30。該儀器屬于便攜式多功能智能礦井資質探測儀,在功能設計上,集成了目前在礦井地震勘探中常用的八種勘探方法,可以進行各種類型的淺層地質構造勘探。本文使用的方法為反射共偏移和單點探測。
2.14 反射共偏移探測
(1) 反射共偏移探測原理
    反射共偏移探測技術是依據反射波勘探原理,在單邊排列分析基礎上選定最佳偏移距,采用多次覆蓋觀測系統進行數據采集。探測時,首先針對測試區域地震地質條件進行現場噪聲調查,對排列記錄分析對比,確定最佳共偏移接收窗口以及窗口內的檢波器間距,并按一定的步距同步前移完成探測任務。只要地質體中存在波阻抗差異,如地質界面,就會產生反射回波,且反射能量受界面特性控制,這是進行地質體分辨的前提。通常在現場實際工作中,常用密集型單道共偏移數據解決實際問題,能滿足現場需要。在對地質體連續追蹤與調查中發揮著重要的作用。
    現場探測時是在最佳窗口內選擇一個公共偏移距,采用單道小步長,保持炮點和接收點距離不變,同步移動震源和接收傳感器。每激發一次接收一道波形,最后得到一張多道記錄,各道具有相同的偏移距。上圖為共偏移法現場施工示意圖。另一種方法是通過對共炮點記錄進行自動排列,也可以獲得各種偏移距的共偏移剖面。利用這種共偏移地震剖面,可正確識別反射波同相軸,由于偏移距相同,數據處理時不需作正常時差校正。工程中常用來對反射波同相軸位置及特征進行了解,由于這種方法施工較為簡單,特別適用于礦井煤巖巷道或工作面構造及異常地質體的調查工作。
    根據反射波勘探原理,以水平反射界面為例,則單道觀測系統有相應波路圖,且它的時距曲線方程為:

    式中x即為偏移距,v為探測介質的地震波波速,t為地震波旅行時間,而h是目標體的界面深度,是需要求解的。因此根據測試所獲得的地震波記錄,進行反射波相位追蹤,確定各個界面的反射波組并求取反射相位時間,即可求解探測目標體的深度,并進行地質解釋。對于傾斜界面則根據反射波組特征進行相應的深度校正,獲得該界面的實際深度位置。
(2)反射共偏移探測施工方法
    現場探測時是在最佳窗口內選擇一個公共偏移距,采用單道小步長,保持震源點和接收點距離不變,同步移動震源和接受傳感器。每激發一次接收一道波形,最后得到一張多道記錄圖,各道具有相同的偏移距。
2.15 單點探測
(1) 單點探測原理
    一般情況下,在礦井地質中,每層的密度多分布在1.3~1.5t/m3,波速在0.8~1.5km/s,而巖石密度在2.4~3.0t/m3,波速在2.5~3.5km/s,所以,煤、巖界面反射系數一般比較大,多在0.6以上,是一個強反射界面,有利于震波反射法進行超前探測或煤厚探測。該方法采用單個檢波器來接收單次錘擊所反射回來的波,并對此數據進行解析得到相應的結果,因此稱為單點探測。單點探測要求檢波器盡量與震源靠近,但不能接近震源。單點探測技術是源于反射地震波勘探中的自激自收方式,即反射波中偏移距為零的垂直反射形式。他是通過接收煤巖界面的地震波垂直反射信號,來計算解析目的層距離和厚度的。單點探測的反射波是震源在界面的垂點反射回來的反射波,所以解析的距離總是小于等于實際距離。探測目的層與探測方向的夾角大于等于60°,可以滿足誤差要求。
(2) 單點探測施工方法
    單點探測的現場布置比較簡單,但是由于受震源的影響很難做到自激自收采集,因此只能盡量的減小反射角度。實際操作中只能近似地做極小偏移距單點單道采集,一般要求最淺目的層的反射角在30°以內,以接近垂直為最佳效果。
2.4 資料處理與解釋
    目前地震單點探測數據的處理與解釋方法為直接分析法與單點分析法,其中直接分析法通常用正弦或余弦圖示方法來描述沿觀測巷道探測區域內頻率、速度、振幅的變化規律,頻率越大、波速度越快位置,表示巖性越堅硬,反之頻率越小、波速度約慢的位置,表示巖性越堅軟,通常情況利用此波形頻率、速度進行判斷巖性軟硬,作為找煤、巖層、斷層、火成巖、陷落柱依據;振幅越大,反射能量越強,尋找巖性改變界面。
3 應用實例

圖1 施工位置示意圖

圖2 施工方法示意圖

圖3 底部層南翼機軌合一巷直接分析法結果圖

圖4 底部層南翼機軌合一巷單點分析法分析結果圖
    黑龍江雞西平崗煤礦地區為地質構造發育復雜,且煤層厚度較薄,開采傾角大,巷道掘進過程中常常伴有斷層、褶曲等地質現象,通過地震波勘探技術對底部層南翼機軌合一巷3#點83m位置進行探測,其施工位置、探測方法示意如下:
    圖3、4為底部層南翼機軌合一巷探測數據利用直接分析法、單點分析法所成效果圖。我們采用的探測方法為單點探測法,本次共對巷道迎頭進行三組數據的探測,分別對巷道迎頭左側、中心位置、迎頭右側利用2個單分量檢波器錘擊30次所得數據,其道間距1.5m,最小原間距1m。。
在本次反射共偏移探測中采用的物探技術參數如下:
采樣電壓:0.6V 觸發方式:外觸發
采樣間隔:8μs ×12 采樣點數:1024點
開放通道:2道 通道增益:24dB
采樣頻帶:90—1000Hz
本區域巖層波速采用3000m/s,煤層波速采用1500m/s。根據波形分析,從探測起點開始至前方96ms內存在很多異常界面,其中:
異常區域一距探測線7-13m左右推測為放炮松動區或裂隙節理發育;
異常區域二距探測線18-23m推測為煤層或其他異常;
異常區域三距探測線33-35m推測為斷層或其他異常;
異常區域四距探測線43-49m推測為斷層或其他異常。
異常區域五距探測線60m推測為巖層分界或其他異常。
驗證:
    后經過巷道掘進過程中驗證在巷道探測位置(3#點83m)前方17m見36煤層,煤厚1.8m,與探測結果相符;前方33m位置見粗砂巖與中砂巖分界面;52m見斷層,斷層落差7m,傾角57°。詳見下圖:

4 結束語
    利用地震波探測可以作為一種較為理想的輔助手段對前方的地質構造異常進行有效的預測預報。通過在該礦的現場探測可以看出在巷道前方地質復雜的條件下通過有效的探測方式多種探測方式,后多次探測驗證可以有效的指導煤礦采掘及其他方面的安全生產。應該說,煤礦在日常生產過程中,存在較多影響礦井安全的地質構造及異常問題,完全依靠地質技術人員的經驗,防范地質災害的發生,其工作量和責任都十分重大,利用有效的輔助手段,既可減輕技術人員的工作壓力,又可增加地質預測的準確率,取得較好的應用效果。
上一篇 下一篇
  | 聯系我們 | 內部員工系統 | Copyright? 2012-2015,All Rights Reserved 閩ICP備11010421號  
主辦單位:中國礦業大學地球物理研究所 安徽理工大學物探研究中心 安徽惠洲地下災害研究設計院 福州華虹智能科技股份有限公司
域名:www.fqmveu.live◆◆◆中國礦井物探網.cn ◆◆◆ www.kjwt.org
DT消消乐游戏