煤礦井下掘進(jìn)工作面構(gòu)造超前探測技術(shù)應(yīng)用

趙云峰

（中煤新集能源股份有限公司，安徽 亳州 232000）

目前，瓦斯、涌水、陷落柱、斷層引起的煤礦安全事故越來越多，這是因為在巷道掘進(jìn)過程中前方很難清楚地探明煤層附近可能存在的斷層等地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、空間方位以及附近巖石的特性[1-2]。在板集煤礦回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中遇到很多影響工程進(jìn)展的情況，因此項目施工人員需要探明前方地質(zhì)特征，避免可能發(fā)生的煤與瓦斯突出、突水、頂板塌落等地質(zhì)災(zāi)害[3]。為了解決以上地質(zhì)問題，板集煤礦采用DTC-150超前探測系統(tǒng)，提前探明前方的地質(zhì)狀況，通過超前探測系統(tǒng)的預(yù)測，了解回風(fēng)掘進(jìn)巷地質(zhì)狀況，合理安排工作進(jìn)度，修改工作計劃，提高施工效率，減少工作成本[4]。

1 超前探測地震波理論

1.1 地震波基本類型

地震波在巖石中傳播，實際上就是巖層中粒子的彈性形變的傳遞。按照彈性形變的基本類型或巖石質(zhì)點振動的不同形式，地震波可分為以下兩種：

（1）縱波（P波）。當(dāng)彈性介質(zhì)中的某一部位受到外力作用發(fā)生變形時，由于變形與法向應(yīng)力的互相作用，使質(zhì)點產(chǎn)生振動，這種振動的現(xiàn)象是各質(zhì)點之間膨脹或者壓縮，使這樣的振動沿整體巖層傳播出來，即生成膨脹和壓縮相互交換的P波。

（2）橫波（S波）。當(dāng)理想巖層中的某一位置受到外力作用產(chǎn)生切變時，因為切變和切向應(yīng)力的相互作用，也會讓質(zhì)點產(chǎn)生振動。這種振動的現(xiàn)象是在不同平面上各質(zhì)點往返滾動，讓這樣的振動沿著整體彈性巖層傳播出來，即生成S波。

1.2 波的反射、折射和透射現(xiàn)象

（1）反射波

地震波在巖層中經(jīng)過反射形成的一類波叫反射波。當(dāng)波由介質(zhì)1射入到介質(zhì)2的分界面時，就會發(fā)生反射與透射現(xiàn)象。第一種介質(zhì)的波阻抗為ρ1v1，第二種介質(zhì)的波阻抗為ρ2v2，如果滿足ρ1v1=ρ2v2，波就會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。

反射系數(shù)R等于：

式中：ρ1v1、ρ2v2分別為分界面上下兩種介質(zhì)的密度和速度乘積，即介質(zhì)1和介質(zhì)2的波阻抗。

（2）透射波

地震波沿地層傳播遇到兩種不同介質(zhì)的界面時，一些波經(jīng)過反射返回到原介質(zhì)中形成反射波，而另外一些波則透過分界面形成透射波。透射波和入射波需要滿足透射定律，即

地震波滿足層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律，P為射線參數(shù)，有以下恒等式：

透射系數(shù)：

當(dāng)v1≠v2，才能形成透射波，在入射波能量不變的前提下，反射波的振幅與透射波成反比。

（3）折射波

如果v2＞v1，透射角的角度大于入射角。入射角如果繼續(xù)變大，透射角同時會一起變大。假如入射角增大到一個角度i的時候，可使透射角β=90°，即

這時透射波以v2速度沿界面運(yùn)行，入射角i為臨界角，A為臨界點。這時只要已知v1、v2就可利用i=arcsinv1/v2求出臨界角i。

2 超前探測試驗

2.1 煤礦礦井地質(zhì)構(gòu)造概況

板集煤礦主要采用走向長壁傾斜分層人工假頂采煤，采煤的主要方式是綜采工藝。該礦是單一煤層開采，二疊系山西組二1煤層是主要開采煤層，煤層穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡單，煤厚平均為4.9 m。

從煤層形成到三疊紀(jì)末，礦區(qū)內(nèi)斷裂還沒有形成，此時產(chǎn)生的氣體能夠被保存下來。構(gòu)造應(yīng)力的方向是NWW-SEE，形成了一系列NNE方向的壓性逆斷層，對瓦斯的釋放作用較小。早白堊紀(jì)到始新世時期，區(qū)域應(yīng)力場變?yōu)镹E-SW方向拉伸作用，原來的NE向逆斷裂反轉(zhuǎn)為正斷層，此時的NE向斷層變成了瓦斯運(yùn)移的通道，瓦斯得到了大量地釋放。新構(gòu)造作用時期，應(yīng)力場的方向為NEE-SWW向，近東西向斷裂反扭拉張，使煤層與奧陶系灰?guī)r連接，構(gòu)成氣體運(yùn)移的通道。整個礦區(qū)的地勢很平緩，傾角在10°左右，走向為北東—北北東，傾向南東向。地質(zhì)構(gòu)造主要以斷層的方式呈現(xiàn)，褶曲發(fā)育比較少。

井田內(nèi)中小構(gòu)造特征及分布規(guī)律：

井田內(nèi)已揭露斷層均為正斷層，走向多為東西向及北東向，傾角從30°～75°不等，斷層附近巖、煤層垂直節(jié)理發(fā)育，頂板多有揉皺現(xiàn)象。

褶曲總體特征表現(xiàn)為寬緩的構(gòu)造形態(tài)，向、背斜軸間距150 m左右，局部出現(xiàn)小褶曲，頂板滑動面發(fā)育，巖、煤層強(qiáng)度受到影響，給煤層開采帶來負(fù)面影響。

2.2 DTC-150超前探測設(shè)備介紹

DTC-150防爆地質(zhì)超前探測儀工作原理（圖1）為三分量反射地震方法，設(shè)備主要由主機(jī)、信號盒、傳感器等組成。

圖1 探測原理圖

2.3 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面現(xiàn)場試驗

在進(jìn)行礦井掘進(jìn)面超前探測過程中，信號的收集是整個試驗的基礎(chǔ)，也是第一階段的工作，其目的是為數(shù)據(jù)處理和解釋提供第一手信息。第一手資料質(zhì)量的高低，將直接影響到軟件處理的精度和后期成像解釋的準(zhǔn)確度。試驗現(xiàn)場布置圖如圖2。

圖2 試驗現(xiàn)場布置圖

（1）震源布置

現(xiàn)場試驗共標(biāo)有24個錘擊位置，從掘進(jìn)面向后，在巷道側(cè)幫標(biāo)記。第一個錘擊點距掘進(jìn)面退后5 m，高1 m，其他23個錘擊點以同樣高度，間距1.5 m向后依次布置。

（2）接收孔布置

接收器孔數(shù)量為1個，布置在巷道左側(cè)或者右側(cè)壁，直徑為42 mm，深度為1.5～2 m，距第24號炮孔18 m，高度1 m。方向：垂直打入巷道一側(cè)內(nèi)，水平于巷道走向；高度：大約距離地面1.0～1.5 m；位置：大約距離巷道掘進(jìn)面55～57.5 m。

（3）接收器位置布置

在信號接收之前，應(yīng)先檢查傳感器橡膠管與接收孔以及煤巖之間的耦合情況，并檢查橡膠管末端表面是否有機(jī)械損傷，是否能正常使用。為了使傳感器固定且牢固，應(yīng)采用打氣筒向接收器橡膠管內(nèi)注氣，然后確定接收器是否與煤巖耦合，將傳感器通過電纜連接到DTC-150主機(jī)。

（4）震源的激發(fā)

在原來標(biāo)記過的震源位置進(jìn)行銅錘擊打，遇到不平整的煤壁需要用到銅管墊片，將墊片放在煤壁上，然后用銅錘擊打點墊片。

3 超前探測試驗結(jié)果

3.1 縱橫波速度分析

孔隙度是影響波速大小的一個重要因素，為了更好地講明地震波的傳播速度與巖石的孔隙度之間的關(guān)聯(lián)，1956年Wylie等人提出了時間平均方程，該公式為：

式中：v是地震波速度；vm是巖石骨架的地震速度；vL是充填物質(zhì)的波速度；φ為巖石的孔隙度。

地震波在巖石中傳播時，實際上是在巖石孔隙和巖石顆粒兩種介質(zhì)中傳播，波速與孔隙度成反比。

煤巖體發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動時，應(yīng)力作用會使煤巖孔隙度增加，巖石密度減小。巖石介質(zhì)中孔隙度上升，會導(dǎo)致縱橫波速度下降。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r石中傳播時，波速度減小時，則可以推斷出煤巖孔隙度變大，煤巖可能發(fā)生斷裂。

根據(jù)縱橫波速度的變化圖圖3可知，縱橫波在煤巖傳播的過程中，縱橫波速度有變小的趨勢，說明前方遇到煤巖破碎。在65～74 m處，縱橫波速開始變小。縱波波速代表的巖石級別由優(yōu)變?yōu)橹械?，巖石的性質(zhì)特征由完整變?yōu)榱似扑?。?38 m處開始，波速也在呈減小的趨勢。巖石級別由優(yōu)變差，巖石破碎。這說明在這兩處煤巖性質(zhì)發(fā)生了變化，有可能會有構(gòu)造的出現(xiàn)。

圖3 縱橫波速分析圖

3.2 密度方面分析

從整體圖4可以看出：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。

圖4 密度與縱橫波的關(guān)系

從實驗室得到的結(jié)論可知，聲波的速度和巖石密度之間有著非線性的正相關(guān)關(guān)系，縱橫波速度隨著巖石密度的減小而減小。煤巖密度在掘進(jìn)面前方65～74 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了減小現(xiàn)象，說明聲波波速在此范圍內(nèi)是減小的，煤巖的密度也是減小的，可以得出此范圍的煤巖較前面相比，比較破碎。在掘進(jìn)面138 m左右也出現(xiàn)了煤巖密度急劇減小的現(xiàn)象，說明此處有構(gòu)造的形成。

3.3 縱橫波速比和泊松比分析

煤巖密度隨著埋深的增加而增大，煤巖孔隙度隨著埋藏深度的增加、壓力的增大而減小，而橫波主要是通過巖石骨架傳播，故橫波的增加量要遠(yuǎn)大于縱波的增加量，使得縱橫波速度比值減小，泊松比也隨著減小。反推隨著巖石孔隙度的增大、密度的減小，橫波沿煤巖骨架傳播時，橫波波速的減少量要大于縱波的減少量，使得縱橫波速度比值增加，泊松比也會隨著增大。泊松比與縱橫波速比分析圖如圖5。

圖5 泊松比與縱橫波速比分析圖

在超前探測結(jié)果分析中，縱橫波速度比與泊松比之間存在正相關(guān)關(guān)系。在掘進(jìn)面前方65～74 m處縱橫波速度比和泊松比都增加，說明此范圍內(nèi)煤巖孔隙度增加，煤巖體裂隙發(fā)育，煤層破碎。在掘進(jìn)面前方138 m左右p/s波速比急劇增大，泊松比也急劇增大，可以判定此范圍內(nèi)存在裂隙。

4 結(jié)論與展望

（1）分析了DTC-150超前探測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集過程中的各個參數(shù)的設(shè)置問題，并且可以針對不同的地質(zhì)情況采用不同的參數(shù)。

（2）通過對DTC-150超前探測系統(tǒng)在板集煤礦的應(yīng)用研究，結(jié)合揭露后的地質(zhì)情況綜合分析，證明超前預(yù)報系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中地質(zhì)預(yù)報的精準(zhǔn)性。根據(jù)超前探測的結(jié)果，驗證了板集煤礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面的地質(zhì)情況，成功地探測出了回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面前方那個100 m以內(nèi)煤層破碎帶和斷層。

（3）DTC-150超前探測系統(tǒng)存在著一些缺點，對于地質(zhì)構(gòu)造空間位置的準(zhǔn)確預(yù)測還有一定的難度，這需要通過大量的實踐來進(jìn)行研究驗證。由于沒有進(jìn)行多地實測，只能從定性的方面分析了誤差存在的影響因素及提高準(zhǔn)確性的辦法，沒有進(jìn)行數(shù)量上的實際探測分析，應(yīng)該多找?guī)讉€礦區(qū)對試驗的結(jié)果進(jìn)行佐證。