震波CT技術(shù)在斷層超前探測(cè)中的應(yīng)用

趙寶林 王傳永 劉 超

(1.河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院)

震波CT技術(shù)在斷層超前探測(cè)中的應(yīng)用

趙寶林1王傳永1劉 超2

(1.河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院)

城郊井田二水平南翼采掘活動(dòng)受落差0～28 m的DSF7逆斷層影響較大，為了確保安全生產(chǎn)，采用震波CT技術(shù)對(duì)該斷層進(jìn)行超前探測(cè)。探測(cè)結(jié)果與巷道實(shí)際揭露情況對(duì)比表明，該技術(shù)對(duì)斷層面位置控制程度可靠，具有成本低、操作便利、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

震波CT技術(shù) 斷層 超前探測(cè)

城郊煤礦位于河南省永城市境內(nèi)，隸屬于河南能源化工集團(tuán)永煤公司，2003年投產(chǎn)，2009年核定生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a，主采山西組二2煤層，采用立井兩水平上下山開拓方式，混合式通風(fēng)系統(tǒng)，屬瓦斯礦井，水文地質(zhì)條件中等。城郊井田南翼發(fā)育DSF7逆斷層，由于該斷層走向延伸較長(zhǎng)、落差大，對(duì)礦井采掘活動(dòng)影響范圍大。因此，有必要采取有效手段對(duì)該斷層的賦存情況進(jìn)行超前探測(cè)。

1 應(yīng)用背景

目前，國(guó)內(nèi)外礦井超前探測(cè)技術(shù)正由傳統(tǒng)的單一鉆探技術(shù)向輕便化、高精度、多功能、數(shù)字化、系列化和智能化方向發(fā)展。井下斷層超前探測(cè)技術(shù)方法主要有電法、地震、坑透、槽波等，相比之下，地震波CT技術(shù)能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造行跡進(jìn)行較全面細(xì)致地判定，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。城郊煤礦以往斷層超前探測(cè)手段比較單一，主要利用ZDY系列液壓坑道鉆機(jī)進(jìn)行鉆探施工，該類鉆機(jī)雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但存在整機(jī)笨重，搬運(yùn)安裝耗時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)，且施工周期較長(zhǎng)。另外，在鉆探過程中易發(fā)生鉆孔偏斜從而影響對(duì)斷層的控制精度。

2 震波CT超前探測(cè)原理

結(jié)合實(shí)際需要，采用礦井震波CT超前探測(cè)(Mine Seismic Prediction)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MSP系統(tǒng))進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于進(jìn)行采掘工作面地質(zhì)異常體的探測(cè)來(lái)說(shuō)，震波CT技術(shù)是一種比較常用的手段[1-3]，具有探測(cè)方法簡(jiǎn)便、探測(cè)結(jié)果清晰直觀、精度高、不受巷道支護(hù)方式影響等優(yōu)點(diǎn)。MSP系統(tǒng)對(duì)于地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)，完全能滿足煤礦工作的技術(shù)要求，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于探測(cè)掘進(jìn)巷道前方200 m范圍的地質(zhì)體(斷層、破碎帶、煤巖界面、陷落柱等不良地質(zhì)體)。震波CT技術(shù)即地震層析成像技術(shù)，是應(yīng)用人工爆破地震發(fā)射與接收系統(tǒng)的地震層析成像理論，沿巷道后方布置震源和傳感器，通過地質(zhì)體的外部地震波走時(shí)和衰減的觀測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、可靠地反演出地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀圖像[2]。沿巷道左(右)幫特定位置平行布置爆破點(diǎn)，通過人為制造規(guī)則排列的輕微震源，產(chǎn)生地震斷面，進(jìn)而形成震波，當(dāng)震波接觸至斷層破碎界面時(shí)，形成反射波。MSP系統(tǒng)模型見圖1，該系統(tǒng)由激發(fā)、記錄、接收等3個(gè)單元組成，見圖2。

圖1 巷道MSP系統(tǒng)模型

圖2 MSP系統(tǒng)組成

3 探測(cè)結(jié)果分析

3.1 探測(cè)方案

城郊煤礦二水平南翼膠帶大巷2014年6月18日施工至SYP26點(diǎn)前45.2 m(通尺1 742 m)位置，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，MSP探測(cè)選擇在該巷道迎頭后方進(jìn)行，爆破震源選用炸藥。測(cè)線布置于巷道的左右?guī)蜕?，炮?8個(gè)，單個(gè)炮眼深1.5 m，垂直巷幫打設(shè)，設(shè)置接收傳感器點(diǎn)2個(gè)，即C1、C2點(diǎn)，見圖3。

圖3 迎頭MSP超前探測(cè)測(cè)布置

3.2 探測(cè)結(jié)果處理

震波CT探測(cè)數(shù)據(jù)的處理在MSP 2.0平臺(tái)上進(jìn)行，處理流程為：預(yù)處理→頻譜分析→直達(dá)波求取→反射波提取→速度分析→深度偏移→提取界面?，F(xiàn)場(chǎng)直達(dá)波速度擬合及實(shí)采波形圖見圖4。由該圖可獲得直達(dá)橫波速度為1.6 m/ms，直達(dá)縱波速度為2.6 m/ms。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)直達(dá)波速度擬合及實(shí)采波形

在給定速度模型的基礎(chǔ)上將來(lái)自前方介質(zhì)的反射能量偏移歸位至空間點(diǎn)上，以該成果圖件為基礎(chǔ)提取巷道前方的反射界面[4]。由于探測(cè)震源選擇了炸藥，因此探測(cè)的直線距離為150 m，其中距已掘進(jìn)區(qū)域45.2 m ，距離待掘進(jìn)區(qū)域104.8 m。

3.3 探測(cè)成果分析

MSP系統(tǒng)得到的二水平南翼膠帶大巷迎頭前方地震縱波界面提取圖，見圖5。由圖5可知，自SYP26測(cè)點(diǎn)向巷道掘進(jìn)前方103.6 m范圍內(nèi)存在較為明顯的1組強(qiáng)反射相位，即R1。該異常MSP系統(tǒng)震波探測(cè)面位于SYP26測(cè)點(diǎn)前87～97 m處，其界面反射能量極強(qiáng)。當(dāng)日迎頭位于SYP26測(cè)點(diǎn)前45.2 m(通尺 1 742 m)位置，根據(jù)二水平南翼采區(qū)有關(guān)的地質(zhì)資料和縱波偏移結(jié)果推斷，在巷道迎頭前方41.7～51.8 m段存在的R1異常界面應(yīng)為DSF7斷層面位置。

圖5 地震縱波界面提取結(jié)果

結(jié)合上述DSF7斷層的探測(cè)成果，重新調(diào)整斷層面位置，并重新控制和劃定了預(yù)計(jì)揭露的斷層位置，即預(yù)計(jì)掘進(jìn)至通尺181 m左右將揭露該斷層。而按照城郊煤礦原有的三維地震資料，預(yù)計(jì)二水平南翼軌道大巷(Ⅱ段)掘進(jìn)到通尺197 m才揭露該斷層。通過對(duì)二水平南翼軌道大巷(Ⅱ段)掘進(jìn)過程跟蹤觀測(cè)可知，該斷層實(shí)際揭露位置為通尺185 m，這與三維地震提供的位置誤差為14 m，與震波CT技術(shù)探測(cè)斷層的位置誤差為4 m。由此可見，震波CT技術(shù)對(duì)DSF7斷層面位置的控制程度較為可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用震波CT技術(shù)對(duì)城郊煤礦DSF7斷層進(jìn)行超前探測(cè)，結(jié)果表明：該技術(shù)對(duì)斷層面位置的控制程度可靠，具有安全系數(shù)高、施工成本低、操作便利、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)井下一般地質(zhì)超前探可采用該技術(shù)代替液壓鉆機(jī)，按照每次鉆探設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，單個(gè)鉆孔鉆探綜合成本5 000元計(jì)算，則每次可節(jié)省15 000元。根據(jù)城郊煤礦礦井采掘接替計(jì)劃和防治水規(guī)劃，未來(lái)3 a需要實(shí)施超前探施工約60次，考慮到鉆探設(shè)備及配件損耗等因素，則每年可節(jié)約資金260萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 楊文采，李幼銘.地震走時(shí)層析成像算法與比較[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2)：211-214.

[2] 張平松，劉盛東，吳榮新.地震波CT技術(shù)探測(cè)煤層上覆巖層破壞規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(15)：2510-2513.

[3] 周官群，劉盛東，郭立全.采掘工作面地質(zhì)異常體震波CT探測(cè)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(4)：37-40.

2015-07-27)

趙寶林(1986—)，男，助理工程師，476600 河南省永城市。