基于煤巖特征彈性參數(shù)的掘進(jìn)煤巷地震波超前探測(cè)研究

鄧帥奇，李東會(huì)，趙朋朋

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221000；2.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作454002；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710000）

我國(guó)煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯含量大，隨著開采年限的增加，由瓦斯、涌水、陷落柱和斷層等不良地質(zhì)引起的煤礦安全事故逐年增加，成為威脅煤礦安全生產(chǎn)和制約煤炭工業(yè)發(fā)展重要阻力。目前，我國(guó)礦井彈性波地球物理探測(cè)技術(shù)主要為槽波地震勘探、瑞雷波勘探技術(shù)、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)等，由于受物探設(shè)備局限性與井下復(fù)雜環(huán)境制約，往往勘探需要耗費(fèi)大量的人力物力，且施工難度大[1-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，中煤科工集團(tuán)重慶研究院于2007 年研制了DTC-150 超前探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)井下惡劣環(huán)境且攜帶方便易操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了井下長(zhǎng)距離超前探測(cè)的目的，對(duì)指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

為了快速準(zhǔn)確地對(duì)掘進(jìn)巷道前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量超前探測(cè)理論和技術(shù)方法研究[5-8]。其中，劉青雯[9]通過(guò)井下電法超前探測(cè)方法對(duì)不同礦區(qū)試驗(yàn)提出了三點(diǎn)-三極巷道超前探測(cè)技術(shù)，減小了掘進(jìn)巷道迎頭后方巷道底板對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，大大提高了解釋的準(zhǔn)確度；劉盛東[5]，郭立全[10]運(yùn)用地震波超前探測(cè)技術(shù)（MSP），通過(guò)增益處理、矢量波場(chǎng)分離、偏移疊加等技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明MSP 技術(shù)能夠有效探明掘進(jìn)工作面前方150 m 以內(nèi)斷層等地質(zhì)構(gòu)造；李術(shù)才[11]運(yùn)用激發(fā)極化法對(duì)隧道含水地質(zhì)進(jìn)行了超前探測(cè)，結(jié)果表明激發(fā)極化法可以解決在施工期間隧道含水層不易定位的難題，并且實(shí)現(xiàn)了含水量的估算，在很大程度上拓寬了超前探測(cè)的應(yīng)用范圍；李云波[12]在晉煤古書院礦中現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用DTC-150 超期探測(cè)儀探測(cè)出掘進(jìn)工作面前方40 m 和100 m 處分別存在斷層構(gòu)造和煤巖破碎帶，在貴州甕安煤礦工作面前方95 m 處和102 m 處發(fā)現(xiàn)了斷層。梁慶華，宋勁[13]通過(guò)多波多分量超前探測(cè)地震波原理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了掘進(jìn)工作面前方100 m 以內(nèi)的不良地質(zhì)體，并依據(jù)此儀器通過(guò)波速對(duì)圍巖進(jìn)行了分類。

以上研究結(jié)果表明，不同學(xué)者針對(duì)不同超前探測(cè)技術(shù)提出了相應(yīng)的理論分析方法，而DTC-150 超前探測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用多而理論方面的研究相對(duì)滯后。為此在前人研究的基礎(chǔ)上分析了DTC-150 超前探測(cè)系統(tǒng)設(shè)備、基本原理、觀測(cè)系統(tǒng)布置，并運(yùn)用彈性波理論中縱橫波速度、煤巖密度、縱橫波速度比、泊松比、品質(zhì)因子、剪切模量等煤巖特征彈性參數(shù)綜合對(duì)古漢山煤礦1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔驗(yàn)證與揭露對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 DTC-150 超前探測(cè)儀基本理論與技術(shù)

1.1 DTC-150 工作原理

DTC-150 防爆地質(zhì)超前探測(cè)儀是針對(duì)煤礦、隧道等地下工程研制開發(fā)的一種用于探測(cè)不良地質(zhì)構(gòu)造的設(shè)備，其基本工作原理是采用多波多分量反射波定位勘探原理。沿巷道按照一定排列布置激發(fā)點(diǎn)，利用三分量檢波器作為接收裝置，地震波以球面波形式在煤巖介質(zhì)中傳播，當(dāng)傳播過(guò)程中遇到地層性質(zhì)變化時(shí)（即遇到波阻抗界面如地層界面、斷層碎裂帶、巖溶陷落柱等），產(chǎn)生的反射波被高靈敏度的三分量地震檢波器接收。對(duì)接收到地震記錄進(jìn)行增益、濾波、波場(chǎng)分離等處理，拾取有效信號(hào)。結(jié)合地震波的旅行時(shí)、振幅、速度等參數(shù)對(duì)前方地質(zhì)構(gòu)造作出預(yù)測(cè)，供相關(guān)技術(shù)人員參考并制定相應(yīng)安全生產(chǎn)措施。

地震波速度是超前地質(zhì)探測(cè)中一個(gè)重要的參數(shù)，根據(jù)地震波的速度和旅行時(shí)可以計(jì)算出反射界面與震源、檢波器間的相對(duì)位置，這是測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。影響地震波速度參數(shù)多且復(fù)雜，一方面速度與周圍巖層的物理特性有關(guān)，另一方面又與介質(zhì)的構(gòu)成和速度計(jì)算方法有著緊密關(guān)系。在同一的彈性介質(zhì)中，縱波和橫波的傳播速度是不一樣的[14]。

縱波的速度vP為：

橫波速度vS為：

式中：E 為楊氏彈性模量，它是一個(gè)與煤巖彈性性質(zhì)相關(guān)的常量，彈性越好，E 值越大；ρ 為煤巖密度；υ 為泊松比。

DTC-150 防爆超前探測(cè)原理圖如圖1。

圖1 DTC-150 防爆超前探測(cè)原理圖Fig.1 DTC-150 explosion proof advanced detection schematic diagram

1.2 DCT-150 系統(tǒng)構(gòu)成施工方法技術(shù)

1）系統(tǒng)構(gòu)成。DTC-150 防爆超前探測(cè)儀主要由4 部分構(gòu)成，分別為主機(jī)系統(tǒng)、激發(fā)系統(tǒng)、接收系統(tǒng)及處理軟件系統(tǒng)。其中主機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)探測(cè)儀的主要部分，實(shí)時(shí)跟蹤采集記錄反射波信號(hào)并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，具有防爆、防塵、防水、防震的優(yōu)點(diǎn)，能夠在惡劣的掘進(jìn)巷道環(huán)境中正常工作；激發(fā)系統(tǒng)是由銅錘和1 個(gè)純銅墊片構(gòu)成，銅錘內(nèi)部裝有傳感激發(fā)探頭，通過(guò)電纜與信號(hào)盒相連再傳送至主機(jī)裝置；接收系統(tǒng)由極靈敏的三分量地震加速度傳感器構(gòu)成，安置在1 個(gè)密閉的橡膠套筒內(nèi)，橡膠套筒與煤巖之間采用充氣的方式進(jìn)行耦合。試驗(yàn)過(guò)程要使巷道內(nèi)及鄰近巷道暫停施工，減少隨機(jī)干擾，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。DTC-150 防爆超前探測(cè)儀實(shí)物圖如圖2。

圖2 DTC-150 防爆超前探測(cè)儀實(shí)物圖Fig.2 Physical figure of DTC-150 explosion-proof advanced detector

2）觀測(cè)系統(tǒng)布置。DTC-150 防爆超前探測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)方案：①震源布設(shè)：試驗(yàn)共布置24 個(gè)激發(fā)點(diǎn)，第1 個(gè)激發(fā)點(diǎn)距掘進(jìn)迎頭5 m，觸發(fā)點(diǎn)高度為距離底板1 m，其余23 個(gè)錘擊點(diǎn)以同樣高度，間距1.5 m 向后依次布置；②接收孔布置：距離第24 個(gè)觸發(fā)點(diǎn)向后15 m 布置三分量檢波器鉆孔，開孔高度為1 m 處，直徑為42 mm，孔深以穿過(guò)煤層松動(dòng)圈為標(biāo)準(zhǔn)，通常深度為1.5～3.0 m，將連接好傳感器橡膠管放入孔內(nèi)；③參數(shù)設(shè)定：主機(jī)依據(jù)礦井巷道實(shí)際情況、斷面大小進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，檢查無(wú)誤后點(diǎn)擊開始鍵便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

2 掘進(jìn)煤巷超前探測(cè)結(jié)果

2.1 礦井地質(zhì)概況與觀測(cè)系統(tǒng)布置

古漢山煤礦地處華北板塊南部，受太行構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)構(gòu)造多為NE 斷層，井田東西有走向NW 的赤莊斷層和界碑?dāng)鄬?，井田南北有走向NE 的油坊蔣斷層和九里山斷層，構(gòu)造復(fù)雜且存在落差較小的斷層未查明[15-16]，觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖3。

測(cè)定試驗(yàn)在1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行，位于17 采區(qū)西翼，北部為F5斷層，西部毗鄰15051 工作面（已回采），東部為17 軌道上山保護(hù)煤柱。平均煤厚5.12 m，煤質(zhì)中硬、亮型，為黑色塊狀、具貝殼狀斷口，節(jié)理劈理發(fā)育，頂板為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)布置Fig.3 Observation system

試驗(yàn)在1702 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭展開，目的是預(yù)測(cè)掘進(jìn)巷道前方大約50～150 m 范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，并分析煤巖的彈性參數(shù)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，遵照設(shè)備操作步驟依次進(jìn)行，1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面試驗(yàn)布設(shè)圖如圖4。

圖4 1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面試驗(yàn)布設(shè)圖Fig.4 1702 layout of interview and inspection for driving in return air lane

2.2 超前探測(cè)結(jié)果

在古漢山煤礦1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)巷道迎頭進(jìn)行彈性波超前探測(cè)工作，獲得了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)自帶軟件進(jìn)行信息處理，得到縱橫波分離后的地震記錄，經(jīng)過(guò)增益、濾波、波場(chǎng)分離、偏移等處理獲得了的縱波和橫波的偏移剖面如圖5。

從圖5（a）可以看出，距掘進(jìn)迎頭前方65～74、100～110、120～140 m 區(qū)域存在地質(zhì)異常。從圖5（b）、圖5（c）可以看出，在掘進(jìn)迎頭前方68～85、120～138 m 左右范圍內(nèi)存在地質(zhì)異常。由于環(huán)境噪聲的影響，探測(cè)成果可能存在多解性。為了提高解釋準(zhǔn)確度，通過(guò)彈性波理論中縱橫波速度、密度變化、縱橫波速比、泊松比和品質(zhì)因子等煤巖特征彈性參數(shù)綜合分析，確定掘進(jìn)巷道前方異常體的位置。

2.2.1 縱橫波速度

圖5 偏移剖面Fig.5 Migration profile

孔隙度是影響地震波傳播速度的1 個(gè)重要因素，煤巖受地質(zhì)構(gòu)造作用發(fā)生破壞后，在應(yīng)力作用下破壞后煤體、巖體孔隙度均會(huì)增大，使得地震波在傳播時(shí)縱橫波速下降，可以推斷波速突變部位可能是煤巖破碎帶?？v波和橫波速度變化分析圖如圖6。

圖6 縱波和橫波速度變化分析圖Fig.6 Analysis diagram of velocity change of P and S wave

從圖6 可以看出，在65～74 m 縱波和橫波速度發(fā)生變小的趨勢(shì)，這表明前方存在煤巖破碎。縱波波速變化一定程度可表征巖石級(jí)別由優(yōu)變?yōu)橹械?，巖石的性質(zhì)特征由完整變?yōu)槠扑椋?dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ?36～138 m 處，速度又開始呈減小的趨勢(shì)，反映出巖石級(jí)別由優(yōu)變?yōu)椴睿瑤r石的性質(zhì)特征為破碎，可能存在地質(zhì)構(gòu)造。

2.2.2 煤巖密度變化特征

煤層與巖石在成分、結(jié)構(gòu)特性、成巖作用等方面具有明顯不同，與巖石相比煤體具有低密度、低速度的特征，因此通過(guò)密度變化特征可以判別構(gòu)造發(fā)生部位煤巖破壞類型。煤巖密度與地震波傳播速度具有密切關(guān)系，研究表明煤巖密度與聲波縱橫波速度具有非線性正相關(guān)關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)式（3）表示[17]：

式中：ρ 為密度；v 為彈性波速度（縱波或者橫波）；k0、k1、k2為取決于煤體、巖石的縱橫波的參數(shù)。

由式（3）可知，縱橫波速度隨著密度的增大而增大，隨著密度的減小而減小。

煤巖密度在掘進(jìn)面前方65～74 m 的范圍內(nèi)出現(xiàn)了減小趨勢(shì)后恢復(fù)，可以得出此范圍的煤巖存在破碎現(xiàn)象，在掘進(jìn)工作面138 m 左右也出現(xiàn)了巖體密度急劇減小的現(xiàn)象，表明此處存在地質(zhì)構(gòu)造的界面，結(jié)合其它特征彈性參數(shù)可以判識(shí)為小型斷層。煤巖密度變化圖如圖7。

圖7 煤巖密度變化圖Fig.7 Density change of coal and rock

2.2.3 縱橫波速比和泊松比

通過(guò)地震波可以反演煤體結(jié)構(gòu)特征，地震波在煤巖體傳播時(shí)，橫波主要是通過(guò)煤巖骨架傳播，因此隨著煤巖孔隙度減小，橫波波的增加量要遠(yuǎn)大于縱波的增加量，使得縱波和橫波波速度比值減小，泊松比也隨著減小，反之隨著孔隙度增大縱波和橫波速度比值增加，泊松比也會(huì)增大[18]。根據(jù)這一特性可以判斷地震波在煤巖中傳播時(shí)，如果泊松比增大，說(shuō)明前方煤巖孔隙度增大，可能存在地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)彈性波理論，有縱波速度和橫波速度可以計(jì)算得到泊松比，如式（4）：

縱波和橫波速度的比：

式中：υ 為泊松比；vP為縱波速度；vS為橫波波速；k 為縱橫波速比值。

把式（5）代入式（4）可得：

由式（6）可以看出，泊松比與縱橫波速度的比值呈正比例的關(guān)系。

泊松比與縱波和橫波速度比分析圖如圖8。在超前探測(cè)結(jié)果中，縱橫波速度比與泊松比之間存在正相關(guān)關(guān)系，且在掘進(jìn)面前方65～74 m 處縱橫波速度比和泊松比都有增加，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)煤巖孔隙度增加，煤巖體裂隙發(fā)育，煤層破碎，同時(shí)在掘進(jìn)面前方136～138 m 左右縱橫波速度比急劇增大，泊松比也急劇增大，可以判定此范圍內(nèi)存在裂隙，推斷為該區(qū)斷層發(fā)育。

圖8 泊松比與橫縱波波速比分析圖Fig.8 Analysis of Poisson’s ratio and velocity ratio of transverse and longitudinal waves

2.2.4 品質(zhì)因子

地震波在地層傳播過(guò)程中，能量會(huì)發(fā)生衰減。品質(zhì)因子作為表征固有巖層能量衰減的屬性，在預(yù)測(cè)巖性、油氣的儲(chǔ)藏位置和范圍等方面具有非常重要的意義，被作為一種非常重要的地震屬性。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)品質(zhì)因子和縱波速度建立了聯(lián)系，其中李慶忠[18]從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)出發(fā)，闡述了品質(zhì)因子Q 和地震波波速v 的關(guān)系，得到了地震波速度與品質(zhì)因子的經(jīng)驗(yàn)公式：

成林[19]對(duì)構(gòu)造煤巖縱橫波與傳播能量衰減特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)品質(zhì)因子QP、QS分別與縱橫波速度具有線性相關(guān)性，品質(zhì)因子隨著縱橫波速的增大而增大。

超前探測(cè)品質(zhì)因子變化圖如圖9。由圖9 可以看出，在掘進(jìn)工作面前方65～74 m 處品質(zhì)因子呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明此范圍內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，煤體發(fā)生破碎。在掘進(jìn)工作面前方138 m 左右品質(zhì)因子開始呈下降的趨勢(shì)，表明此處的煤體性質(zhì)也發(fā)生了變化。

2.2.5 其他煤巖物理參數(shù)

超前探測(cè)煤巖物理參數(shù)分析如圖10。

運(yùn)用剪切模量能夠反映出掘進(jìn)巷道前方65～74 m 的煤巖破碎情況，該出處剪切模量呈減小的趨勢(shì)，在掘進(jìn)面前方136～138 m 處剪切模量開始呈下降的趨勢(shì)，與上述結(jié)果分析相同，而拉梅常數(shù)、楊氏模量變化趨勢(shì)不一致且規(guī)律性不明顯，不能很好地說(shuō)明掘進(jìn)巷道前方巖石的物理特征。

圖9 超前探測(cè)品質(zhì)因子變化圖Fig.9 Change chart of quality factor in advance detection

圖10 超前探測(cè)煤巖物理參數(shù)分析Fig.10 Analysis of physical parameters of coal and rock in advance detection

綜上所述，分析結(jié)果為：

1）距離1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)巷道迎頭前方65～74 m 的范圍內(nèi)，縱波的速度減小，縱橫波都有較大的變化，密度較正常煤體變小、泊松比增大，推斷為煤層破碎帶。

2）掘進(jìn)巷道迎頭前方136～138 m 范圍內(nèi)，橫波水平分量偏移剖面上界面特征明顯，縱波和橫波速度比急劇增大，泊松比增大，綜合以上信息可以判定煤巖體裂隙發(fā)育，可以推測(cè)此處為斷層。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔驗(yàn)證與揭露對(duì)比

針對(duì)DTC-150 防爆超前探測(cè)儀測(cè)定分析結(jié)果，古漢山礦在1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭布置驗(yàn)證孔3 個(gè)，其中1#、3#鉆孔布置在巷道正前兩側(cè)幫，2#孔為巷道迎頭正前方，對(duì)前方80 m 范圍內(nèi)的地層及煤層賦存規(guī)律進(jìn)行探查，結(jié)果均為全煤鉆孔，超前鉆探結(jié)果表明掘進(jìn)巷道迎頭前方66 m 處存有煤層破碎帶，無(wú)大的斷裂構(gòu)造存在。第2 次超前鉆探結(jié)果顯示掘進(jìn)巷道迎頭前方54 m 處斷層發(fā)育，相對(duì)探測(cè)施工位置為掘進(jìn)巷道迎頭前方137 m 處。

實(shí)際揭露的結(jié)果為距離1702 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面前方64～74 m 的范圍內(nèi)有煤層破碎帶，煤層的厚度由5 m 變?yōu)? m，之后又恢復(fù)到5 m，破碎帶的長(zhǎng)度距離為10 m。掘進(jìn)面正前方136 m 左右范圍內(nèi)存在斷層F1702-3（走向161°，傾向251°，傾角70°，落差高度為2 m），超前鉆探的結(jié)果顯示是136～138 m，探測(cè)分析結(jié)果與實(shí)際揭露幾乎完全吻合，極大地提高了超前探測(cè)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。超前探測(cè)成果與揭露對(duì)比平面圖如圖11。

圖11 超前探測(cè)成果與揭露對(duì)比平面圖Fig.11 Comparison plan of advanced detection results and exposure

3 結(jié) 語(yǔ)

1）詳細(xì)論述了DTC-150 防爆型超前探測(cè)儀工作原理及施工方法與技術(shù)，并針對(duì)古漢山煤礦1702回風(fēng)巷掘進(jìn)巷道迎頭進(jìn)行了彈性波超前探測(cè)。

2）在偏移剖面基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用縱橫波速度、巖石密度、縱橫波速度比、泊松比、品質(zhì)因子、剪切模量等煤巖特征彈性參數(shù)對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析解釋，極大地提高了超前探測(cè)準(zhǔn)確性。

3）預(yù)測(cè)出距離掘進(jìn)巷道迎頭前方65～74 m 的范圍內(nèi)存在煤層破碎帶，掘進(jìn)工作面正前方136～138 m 處有斷層，探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔驗(yàn)證和揭露對(duì)比吻合。