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        辛置煤礦10-425工作面槽波地震探測技術(shù)研究與應(yīng)用

        2019-09-07 10:55:56牛園園
        山東煤炭科技 2019年8期
        關(guān)鍵詞:檢波檢波器間距

        牛園園

        (霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦,山西 霍州 031412)

        1 工程概況

        辛置煤礦10-425 工作面位于東四左翼采區(qū),東面為10-427 設(shè)計(jì)工作面,南面為H=40m 斷層,西面為南土壁保安煤柱,北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。10-425 工作面所采煤層為10#煤層,煤層均厚2.6m。煤層直接頂為泥巖及9#煤層,厚度2.9m;基本頂為K2 灰?guī)r,平均厚度7m,深灰色,厚層塊狀,含燧石條帶,下部含較多化石,且裂隙溶洞發(fā)育;直接底為中-細(xì)砂巖,灰白色,石英長石為主,鈣質(zhì)膠結(jié),均勻?qū)永?,分選中等,較堅(jiān)硬。工作面地表多為荒地,黃土覆蓋平均厚度280m,基巖平均厚度72m,無建筑物,無積水體。工作面整體為單斜構(gòu)造,北高南低,根據(jù)周邊地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析,掘進(jìn)過程可能受H=40m斷層伴生的斷層影響,同時還可能受到陷落柱的影響,對掘進(jìn)工作影響較大?,F(xiàn)采用槽波地震技術(shù)對工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行具體探測。

        2 槽波地震探測原理

        2.1 槽波的形成

        槽波勘探技術(shù)的物理應(yīng)用前景為煤層具有槽導(dǎo)性,不同煤層及其圍巖條件下的密度與速度數(shù)據(jù)如表1 所示。通過分析表1 可知,在煤系地層中的波傳播具有密度小和速度低的特點(diǎn),能夠看出波在巖層中的介質(zhì)普遍大于煤層介質(zhì)的密度,具體槽波在巖層中的傳播速度約為煤層中傳播速度的1.5~3倍。

        表1 煤層及其周圍巖體的密度與速度

        由于煤層和其附近的圍巖會對地震波形成一定的制導(dǎo)作用,進(jìn)而使得部分地震波會在煤層中形成全反射,將波束縛在煤層中傳播。由于煤層為一個明顯的低速夾層,在煤層中激發(fā)了P 波(縱波)和S 波(橫波)時,會經(jīng)過多次全反射后,最終將激發(fā)的能量禁錮在煤層或者附近的巖石內(nèi),使得各種波在煤槽中出現(xiàn)相互干涉和疊加,從而形成較大的干涉擾動,即為槽波,槽波會以煤層作為波導(dǎo)沿著煤槽進(jìn)行傳播。

        2.2 槽波地震勘探方法

        槽波的地震探測方法主要包括反射法和透射法。當(dāng)煤層中激發(fā)的槽波傳播時,槽波會在遇到阻斷面時出現(xiàn)反射現(xiàn)象,在被完全阻斷的情況下,此時不會形成透射槽波,但可形成反射槽波,在槽波被部分阻斷的情況下能夠觀測到微弱的透射槽波。槽波透射法和反射法的技術(shù)原理如圖1 所示。

        圖1 槽波透射法和反射法原理圖

        如圖1(b)所示,當(dāng)采用槽波的反射法進(jìn)行探測時,將檢測器與震源布置在同一掘進(jìn)頭或者同一巷道內(nèi)部。在無斷層時,檢波器便不會接收到反射槽波;在斷層落差與煤層厚度相接近或者大于煤層厚度時,此時波導(dǎo)會被完全阻斷,存在明顯的反射槽波;在斷層落差較小時,接收到的槽波信號會相應(yīng)減弱。在采用槽波反射法進(jìn)行探測作業(yè)時,其有效的探測范圍為煤厚的200 倍,反射法進(jìn)行探測作業(yè)時對于落差大于煤厚一半的斷層其判斷的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到60%以上[1-2]。

        根據(jù)待探測區(qū)域的詳細(xì)程度對最佳的觀測方案和最佳的排列參數(shù)進(jìn)行確定,如最遠(yuǎn)透射距、炮間距。道間距和偏移距等參數(shù),最好通過試驗(yàn)確定,合理的道間距一般在5~30m 的范圍內(nèi)。在采用透射法進(jìn)行探測時,該種方法能夠探測的最詳細(xì)的部位為探測區(qū)的中心部位,在可能具有地質(zhì)構(gòu)造的特殊區(qū)域應(yīng)采用減小道間距和減小炮間距等方式進(jìn)行加密觀測[3-4]。

        當(dāng)待探測區(qū)域的最佳觀測方式和最佳觀測系統(tǒng)確定后,再開始使用透射法進(jìn)行探測,其在待測區(qū)域無構(gòu)造段能夠測定出圍巖的波速和煤層的波速,不僅能夠初步探測出煤層的構(gòu)造帶,同時能夠?yàn)楹罄m(xù)反射法探測得出數(shù)據(jù)的處理和解釋打下較好的基礎(chǔ)。

        3 槽波地震探測方案及分析

        3.1 方案設(shè)計(jì)

        10-425 工作面運(yùn)輸巷在實(shí)際掘進(jìn)過程中揭露了13 條落差高度在0.3~6m 范圍內(nèi)斷層,同時揭露了兩個陷落柱,在10-425 工作面的設(shè)計(jì)停采線內(nèi)運(yùn)輸巷揭露了3 條落差高度在0.5~5m 的斷層。現(xiàn)采用槽波地震探測技術(shù)對工作面內(nèi)的構(gòu)造情況進(jìn)行有效探測。

        本次10-425 工作面的勘探采用德國生產(chǎn)槽波地震儀,設(shè)置采樣長度為2048ms,采樣間距為1/8 ms,增益為18/40。為保證工作面透射探測數(shù)據(jù)的可靠性,在工作面進(jìn)行兩次槽波地震探測,兩次將其對應(yīng)的接收點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行互換巷道。為了充分探測到地質(zhì)異常體對槽波傳播特征的影響,將檢波器有效地分為上層和下層,下層檢波器垂直于底板安設(shè),上層檢波器垂直于煤壁安設(shè),分別進(jìn)行兩次探測。由于10-425 工作面設(shè)計(jì)的停采線距離工作面為1065m,從工作面開切眼的位置處開始標(biāo)記編號,共標(biāo)記107 個測點(diǎn),設(shè)置測點(diǎn)間的間距為10m,測量的總長度為1060m。

        在進(jìn)行第一次探測作業(yè)時,通過在10-425 工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置檢波點(diǎn),設(shè)置其道間距為20m,在運(yùn)輸巷內(nèi)布置炮點(diǎn),將炮點(diǎn)間的間距設(shè)置為20m。本次探測作業(yè)的探測范圍為運(yùn)輸巷內(nèi)的44 號~106號測點(diǎn)的上部和底部650m 的范圍,回風(fēng)巷內(nèi)55號~95 號測點(diǎn)的上部和底部400m 的倒梯形區(qū)域,其最小透射距為150m,最大透射距為541m。具體10-425 工作面的探測區(qū)域和觀測系統(tǒng)的布置形式如圖2、圖3 所示。

        10-425 工作面回風(fēng)巷從55 號測點(diǎn)的位置處開始布置檢波點(diǎn),直至布置到95 號測點(diǎn)。每個檢波點(diǎn)放置上下兩個檢波器,設(shè)置道間距為20m,共計(jì)在回風(fēng)巷內(nèi)布置21 個檢波點(diǎn),打設(shè)42 個檢波鉆孔,布置42個檢波器。將下層檢波器布置在煤層底板中,鉆孔緊貼煤壁,且垂直于煤層底板進(jìn)行打設(shè),設(shè)置鉆孔深度500mm,直徑57mm;上層檢波器設(shè)置鉆孔直徑為57mm,深度為2000mm,布置在距離底板1.5m 的高度處。具體回風(fēng)巷內(nèi)檢波器的布置形式如圖4(a)所示。

        圖2 10-425 工作面槽波地震探測區(qū)域示意圖

        圖3 10-425 工作面槽波地震探測觀測系統(tǒng)布置圖

        工作面運(yùn)輸巷內(nèi)炮眼布置在44 號測點(diǎn)~106號測點(diǎn),炮眼在距離煤層底板1.5m,設(shè)置深度2500mm,直徑為30mm,單個炮眼的裝藥量為250~300g,炮眼間的間距為20m。具體運(yùn)輸巷的炮眼布置形式如圖4(b)所示。

        圖4 10-425 工作面內(nèi)檢波點(diǎn)和炮眼布置示意圖

        在工作面運(yùn)輸巷內(nèi)按照S32~S1 的順序進(jìn)行放炮,每次放炮后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè),共計(jì)放炮32 次,即進(jìn)行32 次的數(shù)據(jù)采集。

        第二次探測作業(yè)把工作面兩回采順槽內(nèi)的觀測系統(tǒng)進(jìn)行對調(diào),即為運(yùn)輸巷內(nèi)布置檢波點(diǎn),回風(fēng)巷內(nèi)布置放炮點(diǎn),其余各項(xiàng)鉆孔的參數(shù)、檢波點(diǎn)的安裝位置與角度、放炮順序等參數(shù)不變。

        3.2 結(jié)果分析

        根據(jù)工作面的槽波探測結(jié)果,得出第一次探測作業(yè)時工作面共計(jì)放炮32 次,接收到22 炮,第二次探測作業(yè)放炮53 次,接收到53 炮。具體槽波發(fā)射與接收射線在工作面的分布情況如圖5 所示。

        圖5 工作面槽波探測數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖

        通過對10-425 工作面槽波探測數(shù)據(jù)處理后得出的三維效果圖(圖5)進(jìn)行有效分析能夠看出,工作面大致探測出2 個區(qū)域,分別為高速區(qū)和低速區(qū)。根據(jù)效果圖可知工作面前方約900m 的位置處為低速區(qū),能夠根據(jù)槽波特征推斷出該區(qū)域?yàn)橄萋渲?。該陷落柱的長軸約為80m,陷落柱內(nèi)的充填物較為松散,進(jìn)而致使傳播速度偏慢。高速區(qū)是由于震波在巖石區(qū)域形成的。根據(jù)工作面現(xiàn)有的地質(zhì)資料可知,工作面前方約570~580m 的區(qū)域?yàn)閿鄬悠扑閹^(qū)域。該斷層與地質(zhì)探測時的斷層為同一斷層,落差為40m,該斷層的走向不大,并沒有貫穿工作面,據(jù)此進(jìn)一步驗(yàn)證了工作面槽波探測技術(shù)的準(zhǔn)確性。

        3.3 探測成果驗(yàn)證

        10-425 工作面在回采過程中對開采揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的記錄,基于記錄數(shù)據(jù)能夠驗(yàn)證工作面采用槽波探測技術(shù)結(jié)果的正確性,工作面實(shí)際回采過程中在開切眼前方573m 的位置揭露了斷層破碎帶,斷層破碎帶在工作面面長方向的長度為80m,采用了超前注漿加固的方式,保障了工作面順利推進(jìn)通過該斷層區(qū)域。在開切眼前方905m 的位置處揭露陷落柱,隨著工作面的向前推進(jìn),得出該陷落柱的長軸為78m?;谏鲜鲇涗洈?shù)據(jù)可知槽波探測技術(shù)得出的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的位置及范圍基本與實(shí)際情況一致,能夠有效地指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)作業(yè)。

        4 結(jié)論

        為充分了解10-425 工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況,采用槽波地震探測技術(shù)對工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行探測,通過對槽波的形成和現(xiàn)有槽波探測技術(shù)的分析,結(jié)合10-425 工作面的具體情況對工作面的槽波探測方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。根據(jù)槽波探測結(jié)果可知,工作面前方約900m 為低速區(qū),該位置處為陷落柱,陷落柱內(nèi)的充填物較松散。工作面前方約570~580m 為高速區(qū),該區(qū)域?yàn)閿鄬悠扑閹АL綔y結(jié)果對后續(xù)工作面的正?;夭商峁┝酥笇?dǎo)。

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