高精度震波技術(shù)在探測巖溶裂隙中的應(yīng)用和研究

宋曉筑

（松藻煤電公司石壕煤礦科技辦公室，重慶 401449）

1 概述

隨著掘進技術(shù)的發(fā)展和高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，傳統(tǒng)的鉆探和打探眼已不能滿足生產(chǎn)需要，因此，研究應(yīng)用超前探測技術(shù)及時掌握磧頭前方巖溶裂隙的發(fā)育情況，防止瓦斯和水害事故發(fā)生，提高掘進效率，從而可以解決礦井地質(zhì)探測中的一大難題。

2 石壕煤礦的概況

石壕煤礦是設(shè)計年生產(chǎn)能力90萬噸/年的重慶市第二大生產(chǎn)礦井，現(xiàn)正井行技改擴能，預(yù)計2013年生產(chǎn)能力達到180萬噸/年。所采煤層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤層，主采M8煤層。主要開拓巷道布置在二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r中。

石壕煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤工作面小斷層多，布置主要開拓巷道的茅口組石灰?guī)r中巖溶裂隙非常發(fā)育，其內(nèi)儲存瓦斯和水，多次造成安全事故。根據(jù)石壕煤礦茅口巷施工的資料分析總結(jié)，每施工1000m茅口巷，要揭露5-10條不同性質(zhì)的地質(zhì)構(gòu)造，統(tǒng)計有70%的構(gòu)造無大的瓦斯和水影響，30%的構(gòu)造有瓦斯和水涌出，有的地質(zhì)構(gòu)造是瓦斯和水分別涌出，有的構(gòu)造是瓦斯和水同時涌出。隨著礦井向下水平延深，北三區(qū)逐漸接近大木樹向斜，茅口地層巖溶裂隙瓦斯和水壓力壓強增大，在茅口巷施工，一旦揭穿含瓦斯和水巖溶裂隙，就有可能瓦斯和水噴出現(xiàn)象。巖溶裂隙不但直接制約著掘進進度，還嚴(yán)重威脅到井下員工的生命安全。

煤礦生產(chǎn)中對巷道掘進前方的地質(zhì)構(gòu)造探測，是一項難度較高的地質(zhì)工作，要求其探測值準(zhǔn)確、及時、可靠，這給煤礦地質(zhì)工作提出了更高的要求。為了實現(xiàn)石壕煤礦建設(shè)成為年產(chǎn)180萬噸高產(chǎn)高效礦井的目標(biāo)，改變多年來地質(zhì)人員只能靠羅盤、皮尺開展地質(zhì)工作，提高礦井掘進和回采工作面超前地質(zhì)預(yù)報準(zhǔn)確性，防止今后巖溶裂隙瓦斯和水給石壕礦造成安全事故，2007年公司引進福州華虹智能科技開發(fā)有限公司和安徽理工大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)便攜式礦井地質(zhì)探測儀(KDZ1114-3)，探測前方巖溶水及巖溶瓦斯賦存情況，加快掘進速度，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3 探測原理及探測方法

3.1 儀器原理

礦井地質(zhì)探測儀主要利用彈性波勘探原理，利用震動作為彈性波波源，對被探測介質(zhì)的距離和速度進行探測，采用自激自收解析法、瑞雷波解析法、折射解析法及反射解析法進行數(shù)據(jù)采集和解析。這四種解析方法應(yīng)用于儀器內(nèi)核，構(gòu)成儀器四種全自動、半自動、手動探測方法，即單點探測、雙點探測、折射探測與反射探測。目的是使儀器適用性更加廣泛，突破以往使用探測儀器只能專業(yè)人員介入的局面。通過采集地震波，經(jīng)儀器初處理后，再經(jīng)過軟件解析系統(tǒng)的綜合分析后，從而確定異常界面。再結(jié)合地質(zhì)基礎(chǔ)資料，最終定性和定量確定其探測結(jié)果。

3.2 便攜式礦井地質(zhì)探測儀探測方法

便攜式礦井地質(zhì)探測儀震波探測方法主要有單點探測、雙點探測、折射探測、松動探測、反射探測、用戶探測等幾種，其中石壕煤礦多次采用的也比較適合我礦的探測方法是用戶探測中的單點探測方法和反射共偏移探測方法。

3.2.1 單點探測

單點探測技術(shù)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。它是通過接收巖、煤層界面的地震波垂直反射信號，來解析計算目的層距離或厚度的。由反射波時距曲線方程：4h2+x2=v2t2，令x=0，則式中時間t可由波形記錄上判讀，波速須是一已知數(shù)，其取值準(zhǔn)確與否，直接影響到目的層距離或厚度探測的精度。一般來說，在一定的探測區(qū)域內(nèi)，巖、煤層的垂向波速都較穩(wěn)定，探測時可作波速調(diào)查，弄清各層波速分布狀況，為探測解析提供依據(jù)。

單點探測現(xiàn)場布置較為簡單，根據(jù)不同探測目的和要求，其具體布置方式也有所區(qū)別。在實際工作中，由于受震源及其它震波 (聲波、面波)的影響很難做到自激自收采集，因此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20°以內(nèi)。巷道前方超前探測，受斷面面積控制，探測前必須先將松動煤、巖清除，煤、巖層中布置1道滑塊式高阻尼傳感器，間隔一定短距離采用錘擊振動激發(fā)，采用多分量多波反射技術(shù)，進行多波分析和解釋，單點探測模塊可直接進行有關(guān)超前探測、頂煤厚度數(shù)據(jù)與實時結(jié)果分析。

3.2.2 反射共偏移探測

反射共偏移探測技術(shù)是依據(jù)反射波勘探原理，在單邊排列分析基礎(chǔ)上選定最佳偏移距，采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。探測時，首先針對測試區(qū)域地震地質(zhì)條件進行現(xiàn)場噪聲調(diào)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(nèi)的檢波器間距，并按一定的步距同步前移完成探測任務(wù)。只要地質(zhì)體中存在波阻抗差異，如地質(zhì)界面，就會產(chǎn)生反射回波，且反射能量受界面特性控制，這是進行地質(zhì)體分辨的前提。通常在現(xiàn)場實際工作中，常用密集型單道共偏移數(shù)據(jù)解決實際問題，能滿足現(xiàn)場的需要。它在對地質(zhì)體連續(xù)追蹤與調(diào)查中發(fā)揮著重要的作用。

現(xiàn)場探測時是在最佳窗口內(nèi)選擇一個公共偏移距，采用單道小步長，保持震源和接收點距離不變，同步移動震源和接收傳感器。每激發(fā)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。圖1為共偏移法現(xiàn)場施工示意圖。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(shù)據(jù)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(gòu)造及異常地質(zhì)體的調(diào)查工作。

根據(jù)反射波勘探原理，以水平反射界面為例，則單道觀測系統(tǒng)有相應(yīng)波路圖（見圖2），且它的時距曲線方程為：

圖2 單道觀測系統(tǒng)波路圖

式中x即為偏移距，v為探測介質(zhì)的地震波波速，t為地震波旅行時間，而h是目標(biāo)體的界面深度，是需要求解的。因此根據(jù)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(biāo)體的深度，并進行地質(zhì)解釋。對于傾斜界面則根據(jù)反射波組特征進行相應(yīng)的深度校正，獲得該界面的實際深度位置。

4 探測技術(shù)應(yīng)用情況

4.1 N三區(qū)2#瓦斯巷探測

4.1.1 反射共偏移探測

采用單道反射自激自發(fā)進行探測，移動步距為0.3米，共布置測線2.4米，測線沿磧頭正面巖體中進行布置和測試。控制點為變坡點位置，磧頭位于變坡點向下斜距29米處。探測情況見圖4。圖中磧頭前方反射波組特征明顯，反射相位清淅，通過分析波形，取茅口灰?guī)r波速為4600m/s，靠北幫位置所采波組顯示磧頭前方9米出現(xiàn)了能量反彈，振幅增強（見圖3），得出從磧頭前方9米出現(xiàn)異常區(qū)域，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況分析，懷疑是裂隙的位置。做出判斷之后，及時通知書發(fā)放有關(guān)單位，要求施工連隊必須嚴(yán)格按“先探后掘”的原則施工，瓦斯出現(xiàn)異常立即將人撤出到安全地方并及時向礦調(diào)度匯報，另外也加強了頂板的管理來防止事故的發(fā)生。

圖3 N三區(qū)2#瓦斯巷超前探測波形及結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場揭露，當(dāng)掘至變坡點向下斜距39米時，在巷道中揭露直徑0.5米小溶洞，內(nèi)存瓦斯和少量積水。距離誤差在10%左右。

4.1.2 單點探測

為防止掘進過程中誤入煤系，在N三區(qū)2#瓦斯巷磧頭頂板還進行了單點探測自激自收的方法采集數(shù)據(jù)，測試點在磧頭巷道頂板茅口灰?guī)r中。數(shù)據(jù)波組特征明顯，相位清晰，能夠很容易的找到灰?guī)r與鋁土巖的分界面。通過波組分析，取灰?guī)r波速為4600m/s，頂豎直向上5.06米出現(xiàn)能量反射，第一次能量反射到第二次能量反射之間取2200m/s，8.57米出現(xiàn)第二次能量反射。

推測第一次反射為鋁土巖的底板，第二次反射為鋁土巖的頂板。（見圖4）

圖4 N三區(qū)2#瓦斯巷超前探測波形及結(jié)果

鉆孔資料揭露，頂?shù)戒X土巖的距離為4.5米，鋁土巖厚3.5米，基本上可以確定這個區(qū)域的灰?guī)r與鋁土巖的波速。距離誤差在10%左右。

4.2 N三區(qū)3#瓦斯巷上段E頭

圖5 N三區(qū)3#瓦斯巷實際情況與物探成果對比

采用單點自激自收方法探測磧頭前方破碎帶影響范圍，探測在A6點向西1.2米兩邊的硐室中進行。數(shù)據(jù)采樣波組特征明顯，相位清晰，結(jié)果由兩邊所采波形綜合分析而得。通過波組分析，石灰?guī)r波速取4600m/s，破碎帶波速取3000m/s，得到正常段石灰?guī)r13.16m，破碎帶影響范圍9.65m。

經(jīng)過巷道實際施工揭穿破碎帶驗證，正常段石灰?guī)r10米，破碎帶影響范圍9米，誤差在17%左右。（見圖5）

5 應(yīng)用總結(jié)

5.1 準(zhǔn)確程度高。通過巷道揭露和打鉆驗證，以上結(jié)果的準(zhǔn)確度在83%～90%之間，基本能滿足茅口組灰?guī)r巷道超前探測的要求。

5.2 震波探測有探測時間短，勞動強度小，探測精度好，工作效益高。與打鉆探測相結(jié)合，可滿足超前探測要求。

5.3 會效益顯著。應(yīng)用震波技術(shù)探測前方巖溶水及巖溶瓦斯賦存情況，探測細(xì)密，能保證精度，提高地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確率，加快掘進速度，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

結(jié)束語

震波探測技術(shù)的應(yīng)用，為礦井高產(chǎn)高效礦井建設(shè)提供了保障。從目前礦井物探和礦井地質(zhì)角度來看，井下超前探測和預(yù)報問題，國內(nèi)外尚無其它成熟有效的技術(shù)手段和解決方法，KDZ1114-3型便攜式礦井地質(zhì)探測儀可作為前方探測與預(yù)測的一種較為理想的輔助工具，其對巖、煤層分界及其它異常區(qū)域探測具有較好的適用性。

石壕煤礦茅口灰?guī)r的綜合波速取4200-4600米/秒是較為合理的。利用震波技術(shù)進行地質(zhì)探測時確定波速是關(guān)鍵。石壕煤礦在探測時，井下煤體及巖體波速是根據(jù)探測儀所測到的反射波進行選取的，與震波在煤、巖體中傳播的實際波速會存在一定的誤差，通過現(xiàn)場多次探測對比，建立礦區(qū)不同地質(zhì)條件有效波速資料，可不斷提高探測精度。

在進行茅口灰?guī)r超前和灰?guī)r厚度探測時，利用儀器的單點和反射共偏移法進行探測是比較合理的。

[1]陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

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[3]王慶海.淺層地震勘探[M].中國建筑出版社.