突出煤層巷道隨掘超前探測技術(shù)研究

霍晶晶，查華勝，苗園園，梅 歡

(1.山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 045300；2.安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000)

礦井突出煤層巷道隨掘超前探測是一項技術(shù)復(fù)雜、受現(xiàn)場環(huán)境干擾較大的一種地球物理探測工作。呂紹林、何繼善等[1]采用無線電波透視法和槽波地震法的區(qū)域性瓦斯突出預(yù)測及地質(zhì)雷達法和層內(nèi)電測深法的局部性瓦斯突出預(yù)測；文光才、趙旭生等[2]利用電磁波透視法結(jié)合瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法預(yù)測突出危險區(qū)域；張許良、彭蘇萍等[3]利用三維地震勘探法預(yù)測瓦斯突出危險帶；湯友誼、孫四清等[4]應(yīng)用斜率方差分層、概率統(tǒng)計計算方法，測井曲線計算查明突出礦井構(gòu)造軟煤分布規(guī)律；彭蘇萍、高云峰等[5]應(yīng)用AVO技術(shù)檢測煤層割理裂隙、預(yù)測煤層瓦斯富集部位；姚軍朋、司馬立強等[6]基于地球物理測井定量判識構(gòu)造煤、預(yù)測瓦斯突出。

目前，礦井突出煤層巷道超前探測主要采用電磁波法和傳統(tǒng)地震法探測巷道迎頭前方瓦斯異常區(qū)域。但電磁波法會受到現(xiàn)場雜散電流及電氣設(shè)備干擾，造成較多的瓦斯異常探測虛報，且超前探測距離有限；傳統(tǒng)地震法主要是基于地面三維地震，當瓦斯突出煤層埋深大時，地面三維地震法會受地下構(gòu)造、巖性影響探測結(jié)果。并且電磁波法和傳統(tǒng)地震法超前探測過程中，需停止現(xiàn)場生產(chǎn)活動(巷道掘進作業(yè)工作等)，嚴重影響了突出煤層巷道掘進進程。為此，通過長時間的現(xiàn)場試驗，研究突出煤層巷道隨掘超前探測地震學(xué)原理，利用最優(yōu)的巷道臺站網(wǎng)，獲取豐富的地震波信號，進行不同地質(zhì)體地震波響應(yīng)特征分析及深度域繞射掃描偏移疊加成像，對突出煤層巷道迎頭前方的瓦斯包區(qū)域進行分析、解釋。

1 地球物理響應(yīng)分析

突出煤層中瓦斯是依附于煤巖體裂縫內(nèi)，基于巖石物理學(xué)分析，瓦斯突出煤層介質(zhì)縱波速度vp、橫波速度vs、彈性模量k、密度ρ計算公式[7]為：

(1)

(2)

(3)

ρ=fgρg+(1-fg)ρc

(4)

式中，vp，vs分別為介質(zhì)縱波速度、橫波速度，km/s；k為介質(zhì)體積模量，是擠壓應(yīng)力與介質(zhì)形變的比值，GPa；u為介質(zhì)剪切模量，是剪切應(yīng)力與介質(zhì)變形的比值，GPa；ρ為介質(zhì)密度，g/cm3；fg為煤巖吸附氣所占的百分比，%；Kg為吸附氣的體積模量，GPa；Kc為煤巖的體積模量，GPa；ρg為甲烷密度，g/cm3；ρc為煤巖密度，g/cm3。

根據(jù)公式(1)～(4)計算，當煤巖體裂隙發(fā)育賦含瓦斯時，煤巖體的體積模量及密度隨著瓦斯含量的增加而降低，煤巖體的縱波速度降低、橫波不發(fā)育，即煤巖體密度、縱波速度與瓦斯含量成反比關(guān)系。地震波阻抗表征地層介質(zhì)傳播地震波的能力，為介質(zhì)速度與密度的乘積。突出煤層巷道綜掘機切割煤巖體時，因剪切作用產(chǎn)生的地震波在傳播過程中遇見含瓦斯較高的煤巖體時，相對于瓦斯含量低的煤巖體，其地震波阻抗會急劇下降，產(chǎn)生一個波阻抗突變區(qū)域，當?shù)卣鸩ㄋ俳档桶俜直冗_到 10%～16%[8]，其地球物理響應(yīng)達到可檢測的程度，且根據(jù)國際經(jīng)驗法則，地震波阻抗變化率大于4%，即可監(jiān)測。因此，根據(jù)煤巖體波阻抗變化率，進行巷道迎頭前方瓦斯包地質(zhì)區(qū)域探測。

2 探測基本原理

突出煤層巷道在掘進過程中，綜掘機切割煤體會產(chǎn)生剪切作用，形成沿著巷道軸線方向傳播的P波、垂直于巷道軸線方向的SV波、SH波，以及巷道迎頭前方煤巖體破裂信號。綜掘機剪切作用形成的P波、SV波、SH波會沿著煤層向巷道迎頭前方傳播，當遇見地質(zhì)異常體(瓦斯包)時，由于地震波阻抗存在差異，會形成地震回波。因此，將綜掘機切割煤體所產(chǎn)生的地震回波信號作為巷道隨掘超前探測的震源激發(fā)信號，通過布設(shè)單軸、三軸陣列式地震傳感器，并實時記錄隨采地震波形，分析地震波的旅行時間、振幅、相位和頻率，基于相關(guān)干涉理論，利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)，進行巷道隨掘三維成像解釋。

基于突出煤層巷道隨掘超前探測特點，現(xiàn)場采用具有煤安證、防爆證的地震監(jiān)測系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集。一方面可以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，采用高靈敏度的地震傳感器以及低背景噪音的地震采集分站，可以更真實且在高信噪比的條件下記錄原始地震波形；另一方面可以達到實時采集，通過采用礦井照明電給地震監(jiān)測系統(tǒng)24小時不間斷供電，保證了巷道隨掘過程中原始數(shù)據(jù)的時效性。

突出煤層巷道隨掘超前探測系統(tǒng)臺網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。在突出煤層工作面掘進巷(以進風(fēng)巷為例)迎頭后方布設(shè)1套24通道地震監(jiān)測系統(tǒng)，地震傳感器編號S1～S8(三分量地震傳感器)，臺站間距10m，布設(shè)于巷道工作面煤層壁幫。由于巷道隨掘過程中迎頭后方10m之內(nèi)安全性較差、10～20m之內(nèi)煤灰較大，因此，迎頭后方第1支地震傳感器S1根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布設(shè)在迎頭后方10～20m范圍內(nèi)，迎頭每推進20m，最后1支地震傳感器S8往前移動80m，距離最新巷道迎頭10～20m，整個監(jiān)測系統(tǒng)隨著巷道掘進而交替前移地震傳感器。地震傳感器安裝鉆孔深度3m，俯角孔3°，如圖2所示。

圖1 突出煤層巷道隨掘超前探測臺網(wǎng)布設(shè)

圖2 突出煤層巷道地震傳感器安裝

3 地震波形處理

通過對突出煤層巷道隨掘超前探測原始地震波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、旋轉(zhuǎn)、濾波、初至拾取、能量均衡、反褶積、相關(guān)性分析等，從震動波波場的角度，利用地震波對地質(zhì)體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進行反演成像，以實現(xiàn)突出煤層隨掘巷道迎頭前方的地質(zhì)異常體(瓦斯包)探測，如圖3所示。

圖3 突出煤層巷道隨掘超前探測數(shù)據(jù)處理過程

(1)建立地質(zhì)模型 基于監(jiān)測區(qū)域煤層特性、地震波傳播路徑原理，在現(xiàn)場主動擊打試驗的基礎(chǔ)上，且利用VCT速度模型校正技術(shù)，定義其煤層地質(zhì)模型：vp(縱波)、vs(橫波)、ρ(密度)。

(2)壞道剔除、零漂歸位 原始地震波形在實時采集的過程中，會出現(xiàn)少數(shù)地震道不可用，需剔除壞道以及去除采集儀器本身的直流漂移影響。

(3)時頻分析 通過對原始地震波形進行時域及頻率域分析，獲得有效波(綜掘機切割煤巖體剪切作用產(chǎn)生的回波信號)及干擾波的頻率特性差異，通過陷波、帶通濾波方式壓制干擾信號，提高原始波形數(shù)據(jù)的信噪比。

(4)地震信號反褶積處理 反褶積，即反濾波或者解卷積。通過壓縮基本子波的長度，來壓制背景噪音和巷道里的多次波，以提高地震資料(時間域)的垂向分辨率。突出煤層巷道隨掘超前探測系統(tǒng)布設(shè)空間存在限制，相對于煤層地震波速，巷道地質(zhì)異常體之間的空間距離在時間域上較短，其地球物理界面間距一般為幾米至幾十米，它們的到達時間差和子波延續(xù)時間重疊、與煤巖體的微破裂信號彼此干涉，形成復(fù)合波而難以區(qū)分。因此，為了提高地震波的垂向(時間域)分辨能力，便于波形識別，利用反褶積技術(shù)將每個界面的地震波表現(xiàn)為一個窄脈沖，每個脈沖的強弱與界面的反射系數(shù)的大小成正比，而脈沖的極性反映界面反射系數(shù)的符號，即將延續(xù)時間較長的子波壓縮成為一個反映界面反射系數(shù)的窄脈沖，將復(fù)合波解析為多個地震波，提高原始地震波形的垂向分辨率。

(5)地震信號相關(guān)性分析 通過分析各道間的相似程度、求取初至靜校正時移量，進行地震子波求取和相關(guān)濾波，去除微震采集分站影響，為巷道隨掘超前探測三維反演成像提供相關(guān)的數(shù)據(jù)道集。

(6)巷道隨掘超前探測三維成像 基于其地質(zhì)模型，進行互相關(guān)處理，得到將巷道壁幫上的其中一個微震傳感器作為震源，其余傳感器接收時的格林函數(shù)，在互相關(guān)處理后，獲得隨掘巷道相關(guān)數(shù)據(jù)道集，根據(jù)地震監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器實時三維空間坐標及震源點信息，進行巷道隨掘超前探測三維反演成像。

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)突出煤層巷道隨掘超前探測臺網(wǎng)布設(shè)原則，于2018年5月17日至5月24日、2018年5月26日至5月31日在寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷進行了超前探測試驗。

4.1 巷道概況

15110工作面15號煤層為回采煤層，工作面標高550～610m，煤層傾角1°～10°，平均傾角為4°，直接頂、直接底均為砂質(zhì)泥巖。煤層賦存較為穩(wěn)定，整體起伏變化不大，瓦斯含量整體較高，有煤與瓦斯突出危險性，預(yù)計最大瓦斯含量為12.0m3/t，預(yù)計最大瓦斯壓力為0.4MPa，預(yù)計最大瓦斯涌出量為10m3/min。

4.2 數(shù)據(jù)處理

(1)地質(zhì)模型建立 基于寺家莊煤礦15110工作面煤層特性、地震波傳播路徑原理，在現(xiàn)場主動擊打試驗的基礎(chǔ)上，利用VCT速度模型校正技術(shù)，定義其地質(zhì)模型：vp為3000m/s；vs為1800m/s；ρ為1700kg/m3?，F(xiàn)場擊打試驗原始地震波形如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場擊打試驗原始地震波形

(2)地震信號分析 寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷隨掘過程中出現(xiàn)的回波信號，如圖5所示。

圖5 15110工作面進風(fēng)巷隨掘回波信號

(3)預(yù)處理 對15110工作面進風(fēng)巷的原始地震波形數(shù)據(jù)進行壞道剔除、零漂歸位以及時頻分析，如圖6所示。進風(fēng)巷隨掘超前探測原始地震信號主頻：50～700Hz。因此，所設(shè)置的濾波器頻率也主要集中在上述主頻內(nèi)。

圖6 巷道隨掘超前探測數(shù)據(jù)預(yù)處理

(4)反褶積、相關(guān)性分析 通過對寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷隨掘超前探測數(shù)據(jù)進行地震信號反褶積處理及地震信號相關(guān)性分析，分別如圖7、圖8所示。

圖7 地震波信號反褶積處理

圖8 地震波信號反褶積處理

4.3 效果對比分析

根據(jù)突出煤層巷道隨掘超前探測數(shù)據(jù)處理流程，對寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷原始地震波形進行處理，獲得其巷道隨掘超前探測三維成像結(jié)果。2018年5月17日至5月24日隨掘超前探測結(jié)果如圖9所示，并對其進行水平洞軸切片如圖10所示；2018年5月26日至5月31日隨掘超前探測結(jié)果如圖11所示，并對其進行水平洞軸切片如圖12所示。圖中色標表征歸一化后的波阻抗變化率(單位：1)，暖色調(diào)為波阻抗高變化率，當波阻抗變化率大于30時，表征為瓦斯包地質(zhì)異常區(qū)域。

圖9 15110工作面進風(fēng)巷1139m處隨掘超前探測三維成像

圖10 15110工作面進風(fēng)巷1139處XOY切片 0m位置—水平洞軸切片

圖11 15110工作面進風(fēng)巷1174m處隨掘超前探測三維成像

圖12 15110工作面進風(fēng)巷1174處XOY切片 0m位置—水平洞軸切片

(1)2018年5月17日至5月24日隨掘超前探測分析 寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷隨掘超前探測迎頭位置為1139m，迎頭前方瓦斯包預(yù)測異常區(qū)域為1169～1174m。于5月29日4點班，經(jīng)現(xiàn)場孔測量K1值及鉆屑量，顯示瓦斯超標。K1值為0.5mL/(g·min1/2)、鉆屑值為3.8kg/m，與隨掘超前探測結(jié)果吻合。

(2)2018年5月16日至5月31日隨掘超前探測分析 寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷隨掘超前探測迎頭位置為1174m，迎頭前方瓦斯包預(yù)測異常區(qū)域為1202～1209m。于6月4日8點班，經(jīng)現(xiàn)場孔測量K1值及鉆屑量，顯示瓦斯超標。K1值為0.73mL/(g·min1/2)、鉆屑值為3.2kg/m，與隨掘超前探測結(jié)果吻合。

(3)鉆孔瓦斯預(yù)測預(yù)報 寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷掘進過程中，地質(zhì)物探和超前鉆探未出現(xiàn)構(gòu)造，實際掘進過程中也未揭露構(gòu)造，K1值實測顯示存在瓦斯異常，詳見表1。

表1 寺家莊煤礦15110工作面進風(fēng)巷K1值實測

5 結(jié) 論

(1)突出煤層巷道隨掘超前探測技術(shù)施工方便，可長時間持續(xù)監(jiān)測，不受巷道掘進機組、膠帶支架和巷道積水等影響，能與巷道掘進施工并存，監(jiān)測系統(tǒng)隨著突出煤層巷道掘進而前移。

(2)煤層賦存高瓦斯，地震波在傳播的過程中，會出現(xiàn)非常大的地震波阻抗變化，基于此變化率進行巷道迎頭前方瓦斯富集區(qū)探測。

(3)將綜掘機切割煤體所產(chǎn)生的地震回波信號作為巷道隨掘超前探測的震源激發(fā)信號，基于多源地震理論及相關(guān)干涉理論，利用巷道隨掘超前探測三維成像技術(shù)進行時域、頻域分析、相關(guān)干涉及隨掘地震成像，探測瓦斯異常帶。