基于超前探測(cè)技術(shù)的掘進(jìn)巷道地質(zhì)特征反演

于汝超，時(shí)振京，李 萍

(1.徐州集團(tuán) 新疆天山礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000； 2.北京啟迪智信注冊(cè)安全工程師事務(wù)所有限責(zé)任公司，北京 101601)

隨著煤礦開采向深部不斷延伸，地質(zhì)構(gòu)造愈加復(fù)雜化，斷層、褶曲、破碎帶、溶洞、礦井突水點(diǎn)等地質(zhì)異常體多見，不僅影響施工效率，而且給礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。巷道掘進(jìn)作為煤礦開采的重要環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)工作環(huán)境特殊、技術(shù)難度大、工作要求高且關(guān)系到礦井安全的地下隱蔽工程，在待掘信息未知的情況下進(jìn)行掘進(jìn)活動(dòng)，地質(zhì)異常體誘發(fā)的礦井災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給掘進(jìn)工作帶來嚴(yán)重的阻礙。因此，在煤礦巷道掘進(jìn)工程施工前期，有必要對(duì)待掘區(qū)做詳細(xì)的地質(zhì)分析。超前探測(cè)技術(shù)能有效地識(shí)別地質(zhì)異常體、掌握地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)、預(yù)測(cè)巷道前方壓力、保證巷道掘進(jìn)的安全施工，可作為待掘區(qū)地質(zhì)分析的有效手段。

針對(duì)巷道(隧道)的超前探測(cè)技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過近40 a的不斷改進(jìn)和完善，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了十余種地質(zhì)探測(cè)方法，主要包括地震波法[1-3]、電磁類方法(瞬變電磁法)[4-6]、地質(zhì)雷達(dá)法[7-9]、核磁共振法[10-12]、電阻率法/激發(fā)極化法[13-15]等。這些方法的應(yīng)用和推廣解決了煤礦安全生產(chǎn)的諸多實(shí)際問題，為探測(cè)和預(yù)報(bào)異常地質(zhì)體做出了突出貢獻(xiàn)。

盡管近年來超前探測(cè)方法在斷層、溶洞探測(cè)等方面取得較大進(jìn)展，但以煤礦掘進(jìn)巷道為例的監(jiān)測(cè)對(duì)象仍面臨諸多問題和需求，地震波探測(cè)技術(shù)和預(yù)警方法仍有待進(jìn)一步研究。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①對(duì)地震波的傳播特性了解不深、認(rèn)識(shí)不夠，無法準(zhǔn)確獲取地震波的波場(chǎng)分布特征；②煤礦掘進(jìn)巷道條件復(fù)雜，缺少對(duì)典型地質(zhì)異常區(qū)域地震波探測(cè)結(jié)果的特征分析與挖掘，不利于對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的快速解譯和評(píng)估；③沒有形成系統(tǒng)的超前探測(cè)評(píng)價(jià)與預(yù)警體系，尤其是針對(duì)動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)較為明顯的煤層巷道，在巷道掘進(jìn)過程中的隨掘隨探分析與預(yù)警。除此之外，由于國(guó)外煤礦開采條件與國(guó)內(nèi)存在極大的差異，掘進(jìn)巷道超前探測(cè)工作的發(fā)展也處于停滯狀態(tài)，大多還是利用預(yù)警、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等方法實(shí)現(xiàn)突出危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，對(duì)于專業(yè)的預(yù)警參數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)并沒有進(jìn)行深入的研究與硬件升級(jí)工作。

針對(duì)上述問題，本文以動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)煤層巷道為對(duì)象，利用地震波探測(cè)技術(shù)，提出“隨掘隨探”的超前探測(cè)方式，分析和挖掘典型異常探測(cè)結(jié)果的相應(yīng)規(guī)律和成像特征，最終提出和形成基于三維成像技術(shù)的動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)煤層巷道隨掘探測(cè)預(yù)警技術(shù),為動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)明顯的煤層巷道的超前探測(cè)提供了一種切實(shí)可行的方法，保證了巷道的快速、安全掘進(jìn)。

1 超前探測(cè)技術(shù)

地震波超前探測(cè)是應(yīng)用礦用地震波高級(jí)探測(cè)技術(shù)，根據(jù)地震波在傳播過程中遇到不均勻地質(zhì)體會(huì)發(fā)生反射的原理，結(jié)合巷道的特點(diǎn)，沿巷道后方布置震源和傳感器，對(duì)巷道前方的地質(zhì)和水文地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種觀測(cè)系統(tǒng)。 MSP系統(tǒng)主要由記錄單元、接收單元和激發(fā)單元3部分組成，如圖1所示。

圖1 MSP的系統(tǒng)構(gòu)成

2 探測(cè)信號(hào)精細(xì)化處理

2.1 頻率域?yàn)V波

野外數(shù)據(jù)采集的過程中，采集有效波的同時(shí)總會(huì)伴隨不同程度的干擾信號(hào)。針對(duì)有效波與干擾波不同的頻率特征以及速度特征，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可以采用不同的方法消除干擾波帶來的影響。

頻率濾波是建立在頻譜分析的基礎(chǔ)上的，下面介紹一下振幅譜的概念。地震波是由不同頻率成分的諧波疊加形成的，通過傅氏變換，可以把地震信號(hào)從時(shí)間域變換到頻率域進(jìn)行分析。下式為一組傅氏變換對(duì)，X(f)是時(shí)間域信號(hào)x(t)的正變換，x(t)為X(f)的反變換。公式表明一個(gè)非周期震動(dòng)的脈沖信號(hào)可用許多不同頻率的振動(dòng)疊加構(gòu)成，每一個(gè)不同頻率的諧和振動(dòng)的振幅和初始相位由X(f)決定。

(1)

把X(f)的模稱為信號(hào)x(t)的振幅譜,振幅譜也可以用分貝譜表示，即:

A(f)=20log10|X(f)|

(2)

在進(jìn)行頻率濾波前要進(jìn)行頻譜分析，通過對(duì)地震記錄x(t)進(jìn)行頻譜分析，求取地震記錄的振幅譜A(f)，根據(jù)地震記錄中有效信號(hào)與噪聲的頻譜差異，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行濾波，從而消去噪聲，突出有效信號(hào)，提高地震記錄的信噪比。

2.2 直達(dá)波切除

煤層巷道超前探測(cè)技術(shù)主要依據(jù)地震反射波中包含的地質(zhì)異常體信息。通過建立地質(zhì)異常體與煤層巷道隨掘過程中地震波信號(hào)之間的地球物理特征響應(yīng)規(guī)律，分析、研究煤層巷道待掘區(qū)的地質(zhì)特征，繼而進(jìn)行煤層巷道隨掘超前探測(cè)預(yù)報(bào)。因此，超前探測(cè)數(shù)據(jù)分析主要是基于反射波信號(hào)展開，對(duì)直達(dá)波進(jìn)行切除處理，提取有效反射波成為了超前探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。

時(shí)距曲線是指地震波到達(dá)各檢波器的時(shí)間與震源點(diǎn)到各檢波器的距離之間的關(guān)系曲線。對(duì)時(shí)距曲線進(jìn)行研究，可區(qū)分直達(dá)波與反射波，進(jìn)而對(duì)直達(dá)波進(jìn)行切除[16]。

由震源出發(fā)向外傳播，沒有遇到分界面直接到達(dá)接收點(diǎn)的波叫直達(dá)波。其時(shí)距曲線如圖2所示。O點(diǎn)為震源點(diǎn)，在測(cè)線接收，在坐標(biāo)系中，將震源點(diǎn)與各接收點(diǎn)連起來得到一條曲線，形象地表達(dá)了直達(dá)波到達(dá)測(cè)線上某一觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間同觀測(cè)點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)之間距離的關(guān)系，稱直達(dá)波時(shí)距曲線。直達(dá)波時(shí)距曲線方程為:

圖2 直達(dá)波時(shí)距曲線

(3)

式中：t為直達(dá)波初至?xí)r間；X為震源點(diǎn)到各檢波器的距離；Δh為偏移距；V為直達(dá)波波速。

由震源發(fā)出向外傳播的彈性波，遇到不同彈性介質(zhì) (波阻抗差異) 的分界面，將產(chǎn)生反射，由檢波器接收的波叫反射波。其時(shí)距曲線如圖3所示。O點(diǎn)為震源，地震波遇傾角為α的波阻抗界面，產(chǎn)生球面反射波，依次被線性排列的檢波器接收，且記錄在時(shí)空域坐標(biāo)軸中形成一條時(shí)距曲線[17]。反射波的時(shí)距曲線方程為：

圖3 反射波時(shí)距曲線

(4)

式中：t為反射波初至?xí)r間；X為震源點(diǎn)到各檢波器的距離；h0為震源點(diǎn)與波阻抗界面的垂直距離；V為反射波波速。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

山西某礦21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山位于+788 m水平、11采區(qū)，地面標(biāo)高+1 721～+1 616 m，井下標(biāo)高+1 305～+788 m.該巷道沿2號(hào)煤層掘進(jìn)，2號(hào)煤層厚度2.56～3.91 m，平均3.26 m，煤層傾角20～32°，平均29°.工作面地面為溝谷及山地斜坡，建筑物有小莊旺村莊、工業(yè)廣場(chǎng)，小莊旺村莊、工業(yè)廣場(chǎng)已經(jīng)留設(shè)保安煤柱，有1趟500 kV供電線路通過。工作面井下位于21采區(qū)，工作面北部為設(shè)計(jì)的21采區(qū)回風(fēng)下山巷道、21采區(qū)軌道運(yùn)輸下山巷道，南部為設(shè)計(jì)的21采區(qū)行人下山，西部為南翼膠帶運(yùn)輸大巷，東部為未采動(dòng)區(qū)。

為了查明山西某礦21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山迎頭前方的地質(zhì)構(gòu)造情況，更好地控制該巷道前方的異常構(gòu)造位置，對(duì)21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山前方構(gòu)造情況進(jìn)行探測(cè)。本次探測(cè)測(cè)線主要布置在21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山，利用礦井震波超前探測(cè)法基本控制21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山前方的斷層位置，為巷道的掘進(jìn)工作提供物探資料。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)布置于S1所在區(qū)域，R1、R2、R3為后期掘進(jìn)后揭示和驗(yàn)證的異常區(qū)域(斷層)。圖4為探測(cè)位置平面圖及揭示異常區(qū)域分布示意圖。

圖4 探測(cè)位置平面圖及揭示異常區(qū)域分布示意

3.2 探測(cè)系統(tǒng)建立

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置時(shí)，以2膠2導(dǎo)線點(diǎn)前23.6 m為探測(cè)起始位置。震源點(diǎn)布置在巷道右?guī)?，總?6個(gè)震源點(diǎn)，檢波點(diǎn)2個(gè)分別為C1、C2，C1、C2均布置在右?guī)?，傳感器及震源點(diǎn)順序和方位見圖5，震源點(diǎn)1～16布置在右?guī)?，設(shè)計(jì)震源點(diǎn)間距0.5 m；C1、C2檢波點(diǎn)間距2 m.其中C2傳感器距離P1號(hào)震源點(diǎn)2 m，P16距離P1震源點(diǎn)7.5 m.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量源檢距，后續(xù)以實(shí)際距離計(jì)算。

圖5 觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)布置圖

3.3 數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)速度譜同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖性情況，進(jìn)一步根據(jù)以往探測(cè)的驗(yàn)證結(jié)果，本次MSP探測(cè)取綜合速度為1.5 m/ms進(jìn)行偏移處理速度。獲得地震波探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理流程如圖6所示。

圖6 地震波超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程示意

3.4 綜合地質(zhì)解釋

圖7為反射界面提取剖面，從反射異常界面提取剖面中可以看出，在探測(cè)位置前方共存在3處反射異常帶，分別命名為R1、R2、R3.從井下鉆探驗(yàn)證和巷道實(shí)際揭露情況可知，礦井震波超前探測(cè)基本上查清了巷道施工前方的構(gòu)造發(fā)育及煤層起伏變化情況，為動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)煤層巷道的安全、快速掘進(jìn)提供了技術(shù)保障。

圖7 21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山MSP探測(cè)結(jié)果

綜合圖8及上述分析和現(xiàn)有地質(zhì)資料對(duì)上述異常段作如下推斷解釋：異常R1在2膠2點(diǎn)前56.3 m附近，該異常界面的影響范圍在距2膠2點(diǎn)前54.3～61.3 m，分析為受J3斷層影響產(chǎn)生的反射界面；異常R2在2膠2點(diǎn)前78.3 m附近，該異常影響的范圍在距2膠2點(diǎn)前77.3～83.3 m之間，分析為受G4、J6、J7斷層綜合影響產(chǎn)生的反射界面；異常R3在2膠2點(diǎn)前110.3 m附近，該異常影響的范圍在距2膠2點(diǎn)前104.3～116.3 m之間，分析為受J8斷層及21總回風(fēng)巷道綜合影響產(chǎn)生的反射界面。

圖8 21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山探測(cè)結(jié)果解釋圖

4 結(jié) 語

此次MSP超前探測(cè)在21采區(qū)膠帶運(yùn)輸下山進(jìn)行，根據(jù)以往的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)把地震波速定為1.5 m/ms.結(jié)合探明斷層空間三維形態(tài)示意圖，最終探測(cè)結(jié)果顯示，探測(cè)位置前方存在3處地震反射異常界面，分別與探測(cè)位置前方J3斷層，G4、J6、J7斷層，J8斷層的位置相對(duì)應(yīng)，推測(cè)這3處異常為受這幾處斷層影響所致，巷道掘進(jìn)過程中要加以注意。由上述分析提出如下建議：

1) 建議在巷道掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)地質(zhì)編錄，可進(jìn)一步提高對(duì)探測(cè)區(qū)域的解釋精度。

2) 實(shí)際生產(chǎn)過程中，如發(fā)現(xiàn)構(gòu)造異常，應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)技術(shù)人員，以便采取加密觀測(cè)及防治措施。

3) 針對(duì)提出的異常體區(qū)域，做好提前預(yù)防的準(zhǔn)備。