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        槽波地震探測技術(shù)在雨汪煤礦1010201工作面的應(yīng)用

        2022-02-03 08:19:30楊慶朝
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年20期
        關(guān)鍵詞:斷層底板煤層

        楊慶朝

        (四川省煤炭設(shè)計研究院昆明分院,云南 昆明 650051)

        0 引言

        我國煤礦資源儲量豐富,但許多礦區(qū)位于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū),在煤礦實際開采過程中,工作面內(nèi)斷層、薄煤區(qū)、裂隙帶及陷落柱等構(gòu)造的存在對煤礦作業(yè)形成了巨大威脅,由于該類地質(zhì)異常體直接或間接導(dǎo)致的例如礦井突水、沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害占具絕對主要地位[1-2]。因此,探明工作面內(nèi)地質(zhì)異常體及隱伏構(gòu)造和進行針對性治理工作是保證煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要手段之一。目前礦井常用的物探方法有直流電阻率法、瞬變電磁法、音頻電透視法及槽波地震探測法等[3]。其中,槽波地震探測法有受地形影響小、探測精度高、分辨率高及驗證快等特點,是探明工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的有效方法,也是礦井地震探測中的重要方法之一。目前,槽波地震探測技術(shù)的理論基礎(chǔ)較為完整,并且一度被列為煤炭部重點推廣技術(shù)之一,寫入了綜采手冊。

        由于我國煤礦復(fù)雜,具有多樣性,不同地質(zhì)條件槽波地震探測施工和解釋成果存在差異,因此限制了該方法的應(yīng)用?;谶@種情況,該文以雨汪煤礦1010201 工作面為研究對象,利用槽波地震探測技術(shù)對該工作面內(nèi)斷層、裂隙帶及一定規(guī)模的地質(zhì)異常體等進行超前識別,為工作面安全回采提供有效地質(zhì)依據(jù),也為該技術(shù)在其他煤礦的推廣應(yīng)用提供工程經(jīng)驗。

        1 工作面概況

        雨汪煤礦1010201 工作面以開采C2 煤層為主。該工作面長和寬分別約為2150m 和207m,工作面內(nèi)含夾矸0 層~2 層,結(jié)構(gòu)相對簡單。其中煤層厚度平均約為1.13m,總體在0.12m~6.65m。層位穩(wěn)定的薄~中厚煤層,單一結(jié)構(gòu),偶有一層夾矸,為半暗型,中~富硫煤,塊煤為主,直接頂、底板巖性為泥巖砂巖,多為灰黑色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖。

        2 槽波地震勘探技術(shù)原理

        槽波地震探測技術(shù)是煤礦地震探測的一個重要分支[4]。在煤層地質(zhì)中,把煤層看作一個低速的地震槽。槽波在煤層中激發(fā)地震波,以震源為中心向四周傳播橫波和縱波,并最終在同一煤層中接受。由于煤的物性特點,導(dǎo)致其彈性波傳播能力一般弱于煤層頂和底板。因此在激發(fā)初始能量后,彈性波大部分能量不能向外傳播,在煤層中經(jīng)過多次透射、反射及疊加向前傳播,然后迅速衰減,形成了槽波[5],如圖1 所示。

        圖1 槽波的形成原理示意圖

        2.1 槽波透射法探測

        透射法是現(xiàn)階段槽波地震探測體系中最基本有效的方法之一。其基本操作原理是分別將激發(fā)震源和檢波器設(shè)置在兩條不同的巷道,一條用于激發(fā),另一條用于接收,在探測區(qū)域內(nèi)形成密集射線;通過投射槽波的強弱來觀測所覆蓋區(qū)域的信號連續(xù)性。當(dāng)探測區(qū)域內(nèi)存在斷層且落差大于煤厚時,信號會被完全阻斷,通常無法接收到透射波;當(dāng)斷層落差約占煤層厚度的30%~70%時,部分信號會被阻斷,所以接收至透射槽波的能量和速度會不同程度地變化,同時槽波具有很強的透射能力,通過前期研究可知,在厚度為1m~3.5m 的煤層中,槽波的最大透射距離可達1000m 以上,該方法也具有簡單靈活、探測范圍大及準(zhǔn)確率高等優(yōu)點。當(dāng)施工時為了保證探測結(jié)果精確度,通常通過增大透射面積、多次反復(fù)透射并輔助CT 成像技術(shù)來圈定異常體的位置和范圍[6]。

        2.2 槽波反射法探測

        槽波反射法是槽波地震探測體系中重要的組成部分之一。基本原理如下:當(dāng)槽波在煤層傳播時,如果遇到了具有波阻抗的分界面(地質(zhì)異常體),便會激發(fā)反射槽波,通過這些反射槽波信號的顯現(xiàn)形式和狀態(tài)可以間接推斷出地質(zhì)異常體的位置。與透射法不同,反射法的激發(fā)真元和檢波點均布置在同一條巷道,該方法可以探測識別煤巷兩側(cè)的小構(gòu)造,有較高的應(yīng)用價值,由于該方法的布置方式和探測特點導(dǎo)致應(yīng)用存在局限,因此應(yīng)根據(jù)探測需求來實施[7]。

        2.3 滑行波勘探原理

        滑行波勘探主要是從槽波探測資料中提取底板的信號信息,從而達到對隱伏構(gòu)造識別的目的。通常,全波場槽波包括實際接收槽波、橫波和滑行波,當(dāng)波場在煤層中傳播時,可通過分析速度來判斷是否來自圍巖滑行波(復(fù)合波)。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ陧數(shù)装宓膫鞑ニ俣群兔芏却笥谠诿簩又袀鞑r,會沿頂?shù)装鍌鞑亩a(chǎn)生滑行波,且是P 波也可以是S 波。該方法主要在煤層中激發(fā)且在頂?shù)装逯薪邮諉闻谟涗?,也可以接收到信號較強的折射S 波和P 波,如圖2 所示。當(dāng)滑行波傳播遇到地質(zhì)異常體時,其信號參量會發(fā)生顯著變化(速度和能量等),基于以上因素并結(jié)合CT 成像技術(shù),可以反演得到頂?shù)装鍢?gòu)造分布規(guī)律,從而達到探測目的[8]。

        圖2 滑行波傳播示意圖

        3 探測布置與數(shù)據(jù)處理

        3.1 工程布置

        該槽波地震探測使用的儀器為YWZ11 型礦井防爆地震儀,該儀器具有測精度高、抗干擾能力強等特點,通過計算機處理反演后,能有效呈現(xiàn)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況,可以完全滿足探測需求。該槽波地震波探測在1111201 工作面進行,探測范圍分為兩個部分:探測區(qū)域Ⅰ為軌道巷切眼處向外760m;探測區(qū)域Ⅱ為軌道巷CG1118 導(dǎo)向點至CG1125 導(dǎo)向點向里80m、膠帶巷CJ1110 往里30m 至CJ1105 向外30m,長度570m,兩個探測區(qū)域合計探測長度約為1.33km。探測采用雙透+雙反的觀測方式,檢波點道間距設(shè)置為10m,炮點炮間距設(shè)置為20m,激發(fā)孔深為2.0m,具體觀測系統(tǒng)物理點參數(shù)見表1。

        表1 槽波探測物理點統(tǒng)計表

        在明確工程布置后,在現(xiàn)場根據(jù)運輸、測量、打孔、安裝檢波器與儀器、放炮和收工的施工順序有序進行。為了保證探測效果和施工方案,當(dāng)打孔時按照圖紙設(shè)計定位孔口,盡可能在煤層中央位置打孔,并記錄特殊條件的調(diào)孔位置。同時,施工嚴(yán)格遵循《煤礦安全規(guī)程》及礦方相關(guān)安全規(guī)定,切斷施工區(qū)域所有電路并采取相應(yīng)安全措施。在施工后進行工作量和質(zhì)量評述,設(shè)置一起采樣間隔0.1ms,記錄長度1.6s,發(fā)現(xiàn)所采集原始數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好,其中滑行波數(shù)據(jù)發(fā)育,槽波數(shù)據(jù)不發(fā)育,該部分施工質(zhì)量統(tǒng)計見表2。

        表2 施工質(zhì)量統(tǒng)計情況表

        3.2 數(shù)據(jù)處理

        當(dāng)槽波在煤層和頂?shù)装鍌鞑ブ杏龅降刭|(zhì)異常體時,其特征參數(shù)就會發(fā)生改變(能量、速度和頻率等),通過這些參數(shù)變化可以反演地質(zhì)異常體。數(shù)據(jù)處理對取得理想的探測目的至關(guān)重要。該探測數(shù)據(jù)的處理與分析依托中國礦業(yè)大學(xué)地球物理研究所研制的《槽波地震數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)ISSPro2022》。首先,根據(jù)實際激發(fā)震源和檢波點在實際中的位置建立空間觀測系統(tǒng),然后初至矯正采集的數(shù)據(jù),剔除空道、壞道及畸變數(shù)據(jù);利用寬頻帶通濾波壓制P 波和S 波,分離出不同類型的槽波,消除聲波和工頻干擾等異常信號;對信號進行幾何擴散矯正和吸收衰減矯正,用高槽波信噪比對透射單炮和反射單炮進行記錄處理;最后進行波場及速度分析合能量的對比分析,通過CT 成像技術(shù)進行透射法和反射法成像,得出CT 成像圖并進行資料解釋[9]。

        4 探測結(jié)果分析

        當(dāng)槽波地震探測應(yīng)用于工作面構(gòu)造解釋時,常以淺部滑行P 波能量CT 圖為解釋基礎(chǔ)。綜合分析礦井前期地質(zhì)資料和已掘區(qū)域的情況,該工作面槽波地震探測共圈定7 處異常區(qū)域,如圖3 所示。

        圖3 探測區(qū)域Ⅰ滑行波能量CT 圖

        4.1 探測區(qū)域Ⅰ

        圖3 為探測區(qū)域Ⅰ滑行波能量CT 圖,共發(fā)現(xiàn)4 處異常區(qū)域。其中異常區(qū)1 位于靠近軌道巷和工作面的切眼附近,異常區(qū)2 位于CJ1118~CJ1121 導(dǎo)線點附近,礦井地質(zhì)資料顯示,兩處存在多條斷層,且該處單炮記錄中發(fā)現(xiàn)兩處的滑行波能量存在明顯變?nèi)踮厔荩茢喈惓^(qū)1 和異常區(qū)2 為底板斷層裂隙發(fā)育帶;異常區(qū)3 位于探測區(qū)域Ⅰ中CG1107 導(dǎo)線點附近,且該區(qū)域滑行能量波存在小范圍的異常響應(yīng)特征,推斷該處受到已揭露斷層影響,也可解釋為底板斷層裂隙發(fā)育帶;異常區(qū)4 位于探測區(qū)域Ⅰ南部,該處滑行能量波存在大范圍異常響應(yīng),且前期地質(zhì)資料顯示該區(qū)域有大斷層顯現(xiàn),推斷該處為底板斷層裂隙強發(fā)育帶,受斷層影響顯著。

        4.2 探測區(qū)域Ⅱ

        圖4 為探測區(qū)域Ⅱ滑行波能量CT 圖,共發(fā)現(xiàn)3 處異常區(qū)域。由圖可知,異常區(qū)5 位于探測區(qū)域Ⅱ的切眼附近,該處滑行波能量存在較大范圍的異常響應(yīng),且該處有大斷層存在。而異常區(qū)6和7分別位于探測區(qū)域Ⅱ軌道巷CG1123~CG1123導(dǎo)線點和CG1123~CG1123 導(dǎo)線點附近,但兩處滑行波能量異常響應(yīng)范圍較小,可以推斷,異常區(qū)5 為斷層裂隙強發(fā)育帶,異常區(qū)6 和7 為斷層裂隙發(fā)育帶。

        圖4 探測區(qū)域Ⅱ滑行波能量CT 圖

        5 結(jié)論

        該探測共劃分為兩個區(qū)域,其中,探測區(qū)域Ⅰ采集的滑行波數(shù)據(jù)較強,透射槽波和反射槽波較弱;探測區(qū)域Ⅱ采集的滑行波數(shù)據(jù)較強,透射槽波一般,但反射槽波較弱。

        采用槽波透射法聯(lián)合反射法,對1010201 工作面內(nèi)的煤層構(gòu)造進行反演,通過CT 成像技術(shù),圈定7 處地質(zhì)異常區(qū)域并給予解釋。通過打鉆和后期揭露發(fā)現(xiàn),7 處地質(zhì)異常區(qū)域均與前期解釋成果較為吻合,說明該槽波地震探測有效,可以為其他相近地質(zhì)條件的礦區(qū)提供探測思路。

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