煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造及異常透射CT綜合成像方法與應(yīng)用

張平松，胡澤安，吳榮新，郭立全

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造及異常透射CT綜合成像方法與應(yīng)用

張平松，胡澤安，吳榮新，郭立全

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層工作面中的斷層、煤層變薄區(qū)等是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。目前主要采用無(wú)線電坑透、地震及槽波CT等方法，實(shí)現(xiàn)巷道工作面內(nèi)的二維層析成像，以查明采前工作面的地質(zhì)條件及異常特征。多個(gè)工作面成像實(shí)踐表明，受不同探查方法的施工條件所限，通常采用無(wú)線電坑透法對(duì)工作面進(jìn)行普查，判斷面內(nèi)基本地質(zhì)條件；對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域可采用地震類CT方法進(jìn)行精細(xì)探測(cè)。根據(jù)不同透射CT方法的特點(diǎn)，進(jìn)一步討論了其研究和發(fā)展方向。

地質(zhì)構(gòu)造；透射CT；成像；電磁類透射；地震類透射

煤礦采掘機(jī)械化程度在不斷提高，采區(qū)工作面的布置也更趨向于大面寬和長(zhǎng)走向，為了滿足煤礦高效開(kāi)采的技術(shù)需求，地質(zhì)保障技術(shù)必須得到進(jìn)一步提升，特別是對(duì)綜采工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的探查精度要求越來(lái)越高，需要在采面開(kāi)采之前，查清其內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造及異常的賦存狀態(tài)，確保開(kāi)采技術(shù)措施的提前制定。具體來(lái)說(shuō)，一是要準(zhǔn)確查明工作面的開(kāi)采地質(zhì)條件，分辨面內(nèi)落差在3～5m的隱伏斷層狀況，以及小于1/2采高的煤層變薄區(qū)范圍，保障綜采工作面的順利回采；二是有效預(yù)測(cè)面內(nèi)諸如易發(fā)生瓦斯突出、應(yīng)力集中、富水等災(zāi)害異常區(qū)域，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持[1～2]。目前，對(duì)于工作面內(nèi)構(gòu)造探查主要是以雙巷或多巷間透射成像理論及方法應(yīng)用為主，其中電磁波場(chǎng)、直流電場(chǎng)、彈性波場(chǎng)等透視技術(shù)的應(yīng)用，相關(guān)文獻(xiàn)較多，基本上涵蓋了探查的方法理論、模擬試驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)踐等方面。無(wú)線電波透視和直流電透視是以電磁場(chǎng)類為主體進(jìn)行透射成像，槽波CT和地震縱橫波CT是以地震波場(chǎng)為主的透射成像，結(jié)合地震波傳播速度、頻率及能量等參數(shù)變化進(jìn)行成圖與解釋，所獲得的探查成果對(duì)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[3-8]。本文結(jié)合工作面構(gòu)造探查對(duì)方法、技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行闡述，以為同類地質(zhì)條件評(píng)判及研究提供參考。

1 工作面構(gòu)造探查方法與應(yīng)用

1.1 電磁類透射CT

電磁類透射CT方法在工作面構(gòu)造探查中應(yīng)用廣泛，且以無(wú)線電波透視成像為主，直流電透視法進(jìn)行輔助。其中無(wú)線電波坑透是利用電磁波在雙巷間的煤層中傳播，當(dāng)遇到介質(zhì)電性變化，電磁波被吸收或屏蔽，接收信號(hào)顯著減弱或收不到有效信號(hào)，產(chǎn)生所謂的透視異常。電磁波能量衰減較快，現(xiàn)有的防爆型坑透儀器中0.3MHz的低頻波對(duì)工作面的穿透面寬達(dá)250 m。其主要應(yīng)用問(wèn)題是透視距離有限、走向斷層分辨率低和金屬干擾因素嚴(yán)重等。直流電透視是利用含、導(dǎo)水構(gòu)造的低電阻特征，與圍巖具有不同的電性條件來(lái)進(jìn)行探測(cè)的，其體積效應(yīng)的測(cè)試基礎(chǔ)降低了對(duì)斷層構(gòu)造等地質(zhì)異常體的分辨能力。通常對(duì)易于形成透視條件的工作面進(jìn)行布置，輔助探查地質(zhì)構(gòu)造。探查中需構(gòu)建煤巖層電性差異與構(gòu)造異常間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，受地電場(chǎng)測(cè)試條件所限，其透視程度、構(gòu)造分辨能力受到影響。

課題組結(jié)合淮南礦區(qū)13-1、11-2煤層條件進(jìn)行了40余工作面探查，其中13-1煤層厚大，對(duì)于影響程度大于半個(gè)煤厚的異常構(gòu)造特征明顯，在實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線及吸收系數(shù)結(jié)果圖中反應(yīng)顯著?，F(xiàn)場(chǎng)需避免金屬布置、積水區(qū)等干擾。利用0.365MHz低頻波探查時(shí)獲得背景場(chǎng)強(qiáng)值基本在7～12dB；探測(cè)工作面斜長(zhǎng)120～250m，其接收?qǐng)鰪?qiáng)值多在20～70dB，與斜長(zhǎng)有一定關(guān)系。大于半個(gè)煤厚的異常區(qū)，其接收?qǐng)鰪?qiáng)值通常低于平均值10～30個(gè)dB且易于分辨。11-2煤層厚度穩(wěn)定，均厚2.2m。探查中煤、巖層的空間位置接觸關(guān)系，巷道頂?shù)装鍘r層對(duì)電磁波吸收較明顯。測(cè)試的背景場(chǎng)強(qiáng)值基本在8～15dB，其斜長(zhǎng)基本在200m以上，接收?qǐng)鰪?qiáng)值多在20～55dB，平均為33.6dB。大于半個(gè)煤厚的異常區(qū)，其接收?qǐng)鰪?qiáng)值通常低于平均值10～20個(gè)dB，在場(chǎng)強(qiáng)分布圖中特征較明顯。對(duì)影響安全高效生產(chǎn)的大于半個(gè)煤層厚度的異常區(qū)域區(qū)劃分開(kāi)來(lái)。因煤層較薄，構(gòu)造解釋時(shí)需充分分析巷道實(shí)際揭露的地質(zhì)條件，以及穿越頂?shù)装鍘r層時(shí)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的吸收影響。圖1為淮南某礦2141(3)工作面13-1煤層電磁波透視CT結(jié)果，解釋有4個(gè)透視異常區(qū)，并對(duì)斷層構(gòu)造異常區(qū)中心位置進(jìn)行了分析，均得到良好的驗(yàn)證。

(a)場(chǎng)強(qiáng)曲線圖

(b)透射場(chǎng)強(qiáng)分布結(jié)果圖1 工作面電磁波透視CT結(jié)果Figure 1 Working face electromagnetic wave penetration CT results

1.2 地震類透射CT

地震類透射CT中，以槽波、地震縱橫波為主，對(duì)工作面進(jìn)行探查。其中槽波CT是在1987年從德國(guó)引進(jìn)槽波數(shù)字地震儀(SEAMEX-85)后開(kāi)展起來(lái)的，以雙巷間透射測(cè)量方法為主，由震源在煤層中激發(fā)槽波沿煤槽傳播，如果工作面中煤層不連續(xù)，波導(dǎo)被完全或不完全阻斷，槽波遇到阻斷面，就會(huì)產(chǎn)生反射使槽波不能通過(guò)。根據(jù)槽波透射狀態(tài)、到時(shí)、能量等，利用射線交匯、速度成像法等處理與解釋。槽波CT具有探測(cè)距離大、抗電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前理論上可以探測(cè)落差大于1/2煤層厚度的斷層。由于槽波的形成有一定的條件，煤層槽波產(chǎn)生具有不確定性，其勘探受到一定限制；當(dāng)有多組斷層相間出現(xiàn)時(shí)，槽波分辨率會(huì)降低；由于槽波為頻散波，時(shí)域包絡(luò)呈橢球狀，宏觀上容易識(shí)別，而具體時(shí)刻卻難以分辨，其應(yīng)用解釋方法不夠完善，探測(cè)效果尚達(dá)不到理論精度。地震縱橫波CT于20世紀(jì)90年代開(kāi)始應(yīng)用到工作面內(nèi)構(gòu)造探測(cè)中。通過(guò)在工作面上、下兩條巷道進(jìn)行彈性波的激發(fā)與接收，對(duì)直達(dá)縱波、橫波到時(shí)聯(lián)合拾取、層析成像與解釋，形成多波多參數(shù)反演結(jié)果剖面，對(duì)工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造及異常進(jìn)行分辨。課題組在雙巷工作面地震透射層析成像算法、數(shù)據(jù)采集與觀測(cè)方法、數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)成果表達(dá)與解釋等方面開(kāi)展了大量實(shí)踐，已形成以直射線、彎曲射線追蹤，聯(lián)合迭代反演為主的二維成像技術(shù)系統(tǒng)，根據(jù)縱、橫波速度分布以及動(dòng)彈性模量參數(shù)進(jìn)行煤層地質(zhì)條件綜合解釋，并完成多個(gè)工作面探查。圖2為河南某礦工作面地震縱橫波CT時(shí)的雙巷雙切片速度分布圖，利用速度差異對(duì)上下順槽的3處煤厚變薄區(qū)及斷層條件進(jìn)行解釋，取得了良好效果。

1.3 探查方法選擇與應(yīng)用

受方法技術(shù)條件所限，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用在探查方法選擇時(shí)，需結(jié)合工作面巷道所揭露的地質(zhì)條件，對(duì)工作面地質(zhì)條件進(jìn)行初判。如果工作面內(nèi)構(gòu)造特征相對(duì)簡(jiǎn)單，且煤層起伏不大、傾角適中，可選擇單一的透射成像方法；當(dāng)工作面構(gòu)造條件復(fù)雜時(shí)，可進(jìn)行綜合方法透射CT探查與解釋，提高對(duì)地質(zhì)目標(biāo)體的解釋精度和分辨能力。

通常來(lái)說(shuō)，無(wú)線電波透視CT法現(xiàn)場(chǎng)施工較為簡(jiǎn)單，效率高，數(shù)據(jù)采集密度易控制，可作為工作面構(gòu)造探查的普查方法。對(duì)于調(diào)查出的工作面構(gòu)造復(fù)雜區(qū)即坑透陰影區(qū)可進(jìn)一步實(shí)施地震波場(chǎng)類透視方法。因地震類方法數(shù)據(jù)采集時(shí)需通過(guò)放炮來(lái)激發(fā)地震波，可對(duì)重點(diǎn)區(qū)進(jìn)行施工，解決段內(nèi)的隱伏異常。當(dāng)工作面穿透距離在250m以上，可采用地震波類方法進(jìn)行透視。

2 探查方法的發(fā)展與思考

受井下測(cè)試條件所限，現(xiàn)有的工作面透視探查方法及系統(tǒng)仍需得到深入研究，通過(guò)加強(qiáng)面內(nèi)構(gòu)造探查基本理論、方法技術(shù)、儀器設(shè)備、地質(zhì)解釋及成果表達(dá)等研究，逐步形成井下面內(nèi)構(gòu)造探查的行業(yè)規(guī)范，更有利于技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。其中值得關(guān)注的方向有以下幾個(gè)方面。

①無(wú)線電波透視是一種適用普遍的面內(nèi)探查技術(shù)，需要加強(qiáng)對(duì)透視基礎(chǔ)理論、異常體電磁波場(chǎng)透視特征、數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備、反演算法等研究，不斷提升其對(duì)面內(nèi)走向構(gòu)造及異常的判識(shí)能力。在現(xiàn)有的一發(fā)一收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)量的采集儀器設(shè)備研發(fā)，形成一發(fā)多收系統(tǒng)，一發(fā)多分量接收系統(tǒng)等，不斷提高數(shù)據(jù)采集密度、效率和利用程度。

②地震波類透視成像系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集施工需要放炮激發(fā)地震波，其施工過(guò)程繁瑣，效率低，因此結(jié)合井下條件研發(fā)高能可控震源，便于進(jìn)行巷道側(cè)幫及底板激發(fā)施工，產(chǎn)生有效地震波。進(jìn)一步改變觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)，形成任意多炮點(diǎn)激發(fā)，提高透射數(shù)據(jù)量，在成像精度等方面獲得突破。

③地震波類透視成像中對(duì)波的傳播速度、頻率、能量、吸收等參數(shù)特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合縱橫波、槽波相關(guān)參數(shù)及其運(yùn)算成像，進(jìn)一步融合電磁及地震類透視數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)合反演方法研究，不斷提升對(duì)目標(biāo)體的精確識(shí)別能力。

④在透射成像方法研究中需要關(guān)注巷道的起伏條件。通過(guò)對(duì)完成的探查工作面回采資料收集與分析表明，不同煤層條件下，斷層構(gòu)造的延展特征不同，探查的分辨率差異性大，走向斷層的判斷識(shí)別率相對(duì)較低；煤層起伏變化大，對(duì)斷層構(gòu)造及異常的判斷能力降低。目前，用于煤礦井下探測(cè)面內(nèi)構(gòu)造的地球物理方法多未能結(jié)合異常體特征全面認(rèn)識(shí)三維波場(chǎng)響應(yīng)，數(shù)據(jù)處理通過(guò)建立煤層面二維地質(zhì)-地球物理模型，結(jié)合透射波場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用層拉平技術(shù)獲得相應(yīng)的平面屬性剖面，其解釋準(zhǔn)確率受到一定影響[9-12]。

圖3為課題組進(jìn)行地震波三維空間反演方法研究構(gòu)建的模型及反演結(jié)果，測(cè)線和炮點(diǎn)分別布置在兩個(gè)平行巷道內(nèi)的煤壁上，巷道走向?yàn)槠叫杏赬軸方向。模型XYZ的尺寸分別為100m×100m×100m，煤層厚度為10m，構(gòu)建煤層三維非均勻速度模型。可見(jiàn)三維速度反演可清晰勾畫煤層的空間形態(tài)，顯示斷層的位置和與煤層的關(guān)系。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了三維速度反演方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

(a)三維速度模型 (b)三維反演結(jié)果圖3 數(shù)值模型三維速度反演Figure 3 Numerical model 3D velocity inversion

⑤結(jié)合工作面不同走向構(gòu)造及異常條件，進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)研究，利用三維速度、吸收系數(shù)等信息進(jìn)行地質(zhì)解釋。雙巷間透射層析觀測(cè)系統(tǒng)受巷道布置限制，其現(xiàn)場(chǎng)布置多為不完全和不精確的投影數(shù)據(jù)，在重建圖像時(shí)， 波速分布規(guī)律與真實(shí)的波速分布規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系不準(zhǔn)確，斷層構(gòu)造及其圍巖的波速在采用不同的采集系統(tǒng)和重建方法計(jì)算時(shí)，其波場(chǎng)響應(yīng)特征以及可分辨程度需進(jìn)一步研究。建立煤層與圍巖波速、能量等屬性參數(shù)差異標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行波速異常追蹤與定量，解釋可以提高對(duì)斷層構(gòu)造延展特征解釋判和斷精度。另要結(jié)合煤巖層條件進(jìn)行順層信息提取，研究利用多場(chǎng)參數(shù)探索對(duì)底板巖層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、賦水特征等信息的解譯。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤炭開(kāi)采自動(dòng)化程度的增強(qiáng)，深部開(kāi)采時(shí)地質(zhì)條件進(jìn)一步復(fù)雜，對(duì)礦井物探的安全保障提出了更高的要求。文章圍繞煤層工作面內(nèi)構(gòu)造探查方法及應(yīng)用效果分析主線，進(jìn)一步討論了綜合方法的研究和開(kāi)發(fā)方向。

①煤層工作面內(nèi)地質(zhì)條件的透射層析成像方法，利用雙巷或多巷條件形成完全或非完全觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合煤巖層的地球物理場(chǎng)傳播規(guī)律及數(shù)據(jù)信息，配合巷道揭露地質(zhì)信息綜合分析，可對(duì)面內(nèi)構(gòu)造條件進(jìn)行有效判斷。生產(chǎn)應(yīng)用中可結(jié)合工作面具體的地質(zhì)條件復(fù)雜程度，選擇電磁或地震波場(chǎng)類合適的透射成像方法。

②依托煤層空間條件進(jìn)行三維條件下透射層析成像方法研究與實(shí)踐是關(guān)鍵。電磁及地震波類透射方法的激發(fā)(發(fā)射)和接收傳感器所在的雙巷為空間條件，因此考慮煤層工作面的空間條件，依據(jù)激發(fā)和接收點(diǎn)三維空間坐標(biāo)進(jìn)行透射反演成像，所獲得的順煤層速度、吸收系數(shù)等參數(shù)結(jié)果更能反應(yīng)煤層面內(nèi)構(gòu)造的基本特征。

③煤層工作面透射CT方法井下應(yīng)用中多存在一些制約因素和不足，提升數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備研發(fā)能力，改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集觀測(cè)系統(tǒng)方式，提高數(shù)據(jù)采集數(shù)量及效果，綜合利用全波場(chǎng)、全空間、多物理參數(shù)信息，可提升地質(zhì)條件探查的精細(xì)化程度，進(jìn)一步提升礦井地球物理方法的勘探能力。

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CoalFaceGeologicalStructureandApplicationofAnomalousBodyTransmittingCTIntegratedImaging

Zhang Pingsong, Hu Zean, Wu Rongxin and Guo Liquan

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001)

Fault, coal thinning zone in coal face are main geological factors impacting coalmine safety in production. At present, the radio wave penetration, seismic and channel wave CT are mainly used to realize roadway face 2D tomographic imaging, identified working face geological condition and anomalous features before extraction. Multiple working faces imaging practices have shown that restricted by different prospecting operation conditions, usually through radio wave penetration carries out prospecting to estimate face basic geological condition; as for structurally complex areas can use seismic kind CT to carry out detailed prospecting. According to different transmitting CT peculiarities, have further discussed studies on them and development orientations.

geological structure; transmitting CT; imaging; electromagnetic kind transmitting; seismic kind transmitting

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2016SD17)，安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研活動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2016D079)，安徽省高校學(xué)科(專業(yè))拔尖人才學(xué)術(shù)資助重點(diǎn)項(xiàng)目(gxbjZD2016048)。

張平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事地球物理勘探方向教學(xué)與科研工作。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.10

1674-1803(2017)09-0049-04

A

責(zé)任編輯：孫常長(zhǎng)