礦井構造與瓦斯的震波超前探測技術應用分析

（1. 安徽理工大學資源與環(huán)境工程系，安徽 淮南 232001；2.中國煤炭學會礦井地質專業(yè)委員會，安徽 淮南 232001）

摘要：采用震波探測技術，利用專門的智能礦井資源探測儀，通過震波的時域參數、幅頻域特征等方法，實施自激自收反射技術、面波技術、到時層析技術，可以預測前方斷層位置、煤體的內部變異以及瓦斯突出的可能性。在巷道獨頭探測煤層和小斷層及工作面內的構造探測工程實例中，進一步說明了震波探測方法對礦井瓦斯及小構造探測有較好的應用效果。

關鍵詞：震波探測；煤層；瓦斯；構造

1、引言

隨著采煤機械化程度的不斷提高，對礦井地質構造發(fā)育程度的認知必須得到相應提高，特別是對巷道掘進頭及采煤工作面的小構造進行準確預報、預測，以保證煤礦采掘工作面的高產高效生產，這是目前礦井地質工作的首要任務。同時構造因素往往與礦井瓦斯相關聯(lián)，構造復雜的地方也是瓦斯易于突出的地方，構造是瓦斯溢出的通道，因此查清采掘面前方小構造，對異常區(qū)域提前采取措施，直接關系到“一通三防”工作的成效。自90年代初以來，我們一直致力于礦井瓦斯與小構造探測方法技術的試驗研究，并在KDY-1型礦井地震儀基礎上專門開發(fā)了新一代的智能礦井資源探測儀，其單、雙點及折射、反射探測方式，應用地震勘探中反射、折射及瑞雷波勘探原理對目的層界面及厚度進行判定與計算，并結合已知地質特征進行構造解釋，在實際探測中取得了較好的應用效果。

2、震波探測條件分析

2.1煤巖層結構及地震地質條件

一般來說，煤層震波速度范圍在Vc=1.5～2.0m/ms，煤層密度ρc =1.3kg/cm³左右；圍巖頂底板速度范圍Vr=3.0～4.5m/ms，圍巖密度ρr=2.4 kg/cm³左右。按照波阻抗Z=V·ρ原理，Zc=Vc·ρc，Zr= Vr·ρr，則Dz=Zr～Zc,按照波動理論只要Dz≠0，則在該界面必將產生波的反射或折射。顯然對于煤層與其圍巖的界面Dz=4.6～8.85之間，因此，該界面的反射系數R=Dz/（Zr+Zc）=0.34～0.7，一般R=0.1就被稱為強反射界面。這樣煤層速度V 、密度ρ、構造變異、軟硬特征等的變化都會產生波阻抗的變化，因此，可以通過震波法檢測煤層的小構造特征、煤層的軟硬變化以及內部的應力變化等相關特征，進一步分析其瓦斯地質特征狀況^[1，2]。

2.2構造與瓦斯涌出相關性

瓦斯是一種賦存在儲氣構造中的煤層氣，它可以通過運移的方式由各種通道進行釋放。國內外地質資料以及我國高瓦斯礦井實際開采的經驗表明，發(fā)生煤與瓦斯涌出的位置，多與地質構造破壞有直接關系。從位置上講，或發(fā)生在小斷層位置處，或發(fā)生在小背斜褶曲部位，或發(fā)生在各種裂隙帶^[3]；從地域上講，多數突出發(fā)生在巷道獨頭，采掘工作面，但也有發(fā)生在采煤工作面?？偟膩碚f，瓦斯涌出受構造因素的影響程度較大。因此應用震波方法探測和查明采掘面及采煤面小構造，并結合構造力學性質、地質資料綜合分析預測煤層與瓦斯突出可能性，是一種切實可行的工作方法。

3、采掘巷道超前探測

石門巷道揭煤前，前方煤層精確距離和煤層內部動力現象一直是礦井開拓及生產調查的重要內容，由于各種介質本身存在物理力學性質差異，因此可以通過震波法進行相關內容探測，確定前方煤層的具體位置并進行煤和瓦斯涌出危險性預報、預測。

3.1石門前方煤層及構造距離探測

石門前方煤層距離的探測可以采用煤層距離的動態(tài)自動修正法進行，該方法是在迎頭當前位置進行單點、雙點探測，讀取前方煤層的相位和幅頻特征，確定煤層距離和圍巖速度信息。在迎頭進入下一位置時，再進行第二次檢測，得到新的相位、幅頻特征值。通過兩次以上相關特征值的對比、判別，計算出波場速度、圍巖品質、地層衰減吸收等參數的變異特征，從而確定并解釋煤層的前方距離，誤差精度控制可達1%左右。

3.2超前揭煤鉆孔探測

在現有的超前鉆孔中可以通過孔內震波檢層技術動態(tài)確定煤巖體的動力學特征，采用滑塊式貼壁速度傳感器進行震波檢層，對煤層圍巖的強度進行動力學法原位檢測，確定鉆孔揭露圍巖的縱、橫波速度、動彈模、強度、堅固性等。同時可以在該孔內進行煤層內部動力現象監(jiān)測。

3.3煤層順層巷道探測

對于順層煤巷，前方構造的出現是一個明顯的波阻抗變化面、煤層瓦斯應力造成煤體“密度”變化也是一個震波反射界面，因此在順層煤巷中可以直接采用單點探測法進行超前探測。由于煤層是一個低阻抗體，在利用常規(guī)震波(縱、橫波)進行超前探測的同時，還可以進行煤層波(槽波)的發(fā)射勘探。

在順層煤巷反射探測中，對構造位置的定位，可以不按照波的反射原理，而采用波的繞射原理進行確定，直接解釋出前方距離。因為從煤層內部來看，構造是以點、線的特征出現，而不是以面的特征出現，繞射特征是其固有的性質。

4、工作面內小構造探測

工作面內構造或前方隱伏地質構造對煤厚變化，特別是側向變化^[4]，以及瓦斯的突出有不同程度的影響。當構造作用造成煤層厚度變薄或使煤層傾角變化時，在工作面推進過程中常常需要破頂或破底；構造作用的影響亦造成煤層頂板破碎或撇頂煤而引起冒落，使頂板管理困難；在綜采面內若出現3m左右的未知斷層，就有可能迫使采面搬家。因此為了采煤工作面安全高效生產的順利進行，利用震波探測技術探測構造與異?？蔀楣ぷ髅娴?a href=http://m.cltuan.cn target=_blank class=infotextkey>安全順利施工提供技術參數與保障。往往在綜采面布置時，必須查明采面內落差為2～3m的小斷層。

圖1 潘一礦11521面機巷切眼超前探結果

具體來說，通過雙巷對整個工作面進行震波層析或透射可取得較好的構造及異常區(qū)帶探測效果。有時也可利用共偏移反射波勘探、槽波或瑞雷面波勘探技術沿巷道兩幫開展工作，向面內或前方探查構造及異常地帶。一般來說，震波層析解析結果更詳細，可對面內高、低應力異常、瓦斯異常區(qū)作出預測。瓦斯通常富集在構造引起的變化區(qū)域，因此高應力區(qū)、煤層增厚區(qū)都可進一步解析為瓦斯富集區(qū)。

5、工程實例

5.1采掘巷道前方探查

受到巷道場地條件所限，對此前方地質因素的探查單、雙點探測是一種方便有效的方式，可取得較為理想的效果。單點探測即反射探測中的自激自收方式，雙點探測為瞬態(tài)瑞雷波探測方法^[5]。圖1為潘

圖2 新集一礦揭煤距離探測波形及結果

一礦11521工作面機巷掘進過程中的超前探測時域波形及分析結果，單點探測解析在13.83m和37.45m處為兩個異常界面，后經掘進證實37.8m處為一斷層界面。這一提前預測為防瓦斯及防水提供了幫助。圖2為新集一礦進行巷道前方揭煤時雙點探測中B7點的實測面波波形及解析結果圖。其中（a）為實測波形，（b）為自動解析所得的互相關振幅譜、相位譜及相干函數圖，（c）為頻散解釋結果的V_R～H曲線。從圖上可以看出在距離H＝6m處有一拐點，因此判斷該點處前方6m左右揭煤并請做好瓦斯探放工作。后經停頭打鉆驗證揭煤距離為6.2m，與探測結果基本相符。

圖3 單點超前探測解釋圖

淮南孔集礦-530水平東一石門迎頭與13煤推算距離為7.2m，煤層真厚為4.0米。在此情況下我們利用智能探測儀中單點反射探測在掘進頭進行了前方構造探測與預報工作，傳感器采用TZBS-100速度傳感器，10磅錘擊作震源并獲得實測波形數據。在石門圍巖波速取值2.9m/ms時，分析揭煤距離為7.18m，煤層厚度4.49m，并預測前方13.5米可能會有瓦斯涌出現象，圖3為波形記錄及解析結果。巷道掘進證實測試結果基本準確。

5.2采煤面內探查

圖4 新集二礦1804采煤面層析成像結果

新集一礦某采煤面內有一條隱伏的地面三維地震確定的走向逆斷層EF30，其最大落差為8m，推測斷層在工作面走向延伸約350m。為了進一步查明其發(fā)育情況，利用智能儀對其進行了巷幫反射共偏移探測與分析。從時域波形剖面圖中可見在斷層走向上存在兩個明顯的異常區(qū)，這兩個區(qū)域的走向連續(xù)性較差，且這個異常區(qū)延展長度均較短，因此分析其斷層沒有地面物探結果延伸長。其結果正由工作面回采進一步驗證。

圖4為新集二礦1804采煤面層析成像解析結果圖，結合巷道掘進資料對采煤面內小構造及異常區(qū)進行了解釋，其中有4塊區(qū)域B3到B6，在這些區(qū)域中波速值較低，形跡上呈塊狀分布，反映煤層為增厚特征。C2區(qū)域煤層受到斷層影響地震波波速值明顯增高，推斷可為應力集中區(qū)。這些區(qū)域將直接影響1804采煤面的回采，因此提前采取了防護措施。實際回采時，C2及B3、B6瓦斯含量均較采面正常瓦斯值高出許多，并有局部涌出現象。正因為采前不等距離采取了相應保護方式，所以有效地保障了安全生產，致使正常生產免受影響。

6、結語

礦井構造與瓦斯涌出機理具有相對復雜性，必須通過大量實驗，獲得不同地質條件下的預測技術和方法。通過智能礦井探測儀的應用，結合單點、雙點探測以及工作面內震波層析技術，可有效地進行巷道和采煤面構造及異常區(qū)域探測，但應綜合瓦斯儲存運移的各種構造條件、沉積條件，多方面分析和解釋，提高解析與預測精度，為煤礦高產高效生產作出更大的貢獻。

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作者簡介：劉盛東(1962-)，男，安徽潛山人，教授，1984年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學院，從事礦井物探教學與科研工作;中國煤炭學會礦井地質專業(yè)委員會秘書長.發(fā)表學術論文十多篇。

聯(lián)系方式：1) 13705541041；2) email to: sdliu@aust.edu.cn 。(注:文中圖片,可任意放大)

Application and analysis of detection technique

by shock wave on mining structure and gas

Liu Sheng-dong^1、2 Zhang Ping-song¹

（1.The Department of Resources and Environmental Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China;2. Mining Geology Speciality Committee of China Coal Academy, Huainan 232001，China.）

Abstract:By shock wave detection technology,using smart mine seismograph, the location of preceding fault,physical changes within coal seam,and the probability of gas outburst can be foretold through the methods of time domain parameter and frequency domain feature, and the techniques of self-excitation and reception, Rayleigh wave and arrival-time CT.

The practical examples of detection to coal seam and small faults in single-head tunnels and structure detection in coal faces, expressed that the methods be more usful for detection of gas and small structure in mine.

Keywords:shock wave detection;coal seam;gas;structure