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綜合物探技術在回采工作面煤體結構異常探查中的應用
新聞作者:技術中心 白永利  發布時間:2019-07-17  查看次數:  放大 縮小 默認
摘 要:查明回采工作面內部地質構造發育、煤層厚度變薄等煤體結構異常情況,能夠有效提高回采工作效率與煤炭資源回采率,同時為回采過程中的安全與技術工作提供技術依據,實際中常采用無線電波透視技術、槽波地震勘探技術等進行探查,且為達到更好的探測效果與對比分析,煤礦井下會采用兩種或兩種以上的物探方法進行綜合探測。為研究綜合物探技術在回采工作面煤體結構異常探查方面的可靠性,選取具有地質構造發育、煤層厚度變薄的典型回采工作面,采用無線電波透視技術、槽波地震勘探技術進行井下實測,通過對實測數據處理,并結合CT成像技術得到無線電波衰減系數、槽波能量衰減系數、槽波速度、P波速度分布圖,結果表明:對于存在煤體結構異常的回采工作面,在異常處無線電波衰減系數大、槽波能量衰減系數大、槽波速度大、P波速度大,且效果明顯。通過在有別于理論模型的井下現場的實測應用,充分說明了采用無線電波透視與槽波地震勘探綜合探測技術能夠有效探查煤層工作面煤體結構異常情況。
關鍵詞:綜合物探;無線電波透視技術;槽波地震勘探;回采工作面;煤體結構異常;CT成像技術
0 引言
回采工作面內部地質構造等煤體結構異常長期以來一直嚴重影響著煤礦井下煤炭回采工作,特別是在煤炭資源開采趨于機械化開采、深部開采的現狀下,地質構造愈發復雜,影響程度也愈發嚴重,且在安全與技術方面影響尤為突出,從對安全影響角度講,地質構造往往是水體的導通通道,特別當地質構造連通富水采空區、富含水層等時,如果回采到該位置但未采取安全措施,在應力結構發生破壞區,往往會發生突透水事故時,造成嚴重的生命、財產威脅,同時,地質構造也是主要的瓦斯富集區域之一,誤揭富含瓦斯斷層等構造,往往會發生瓦斯事故。從對技術影響角度講,地質構造發育、煤厚變薄嚴重不僅給資源回采造成技術難題,還會造成煤炭資源無法最大化回采,同時,針對其可能帶來的安全問題所采取的技術措施與方案也愈發難以準確制定?;夭曬ぷ髑安槊鞴ぷ髏婺誆棵禾褰峁掛斐G榭銎仍諉冀?,特別是一些規模較大的地質構造,煤礦一般采取鉆探、巷探等措施,并根據周邊巷道實際揭露進行地質推斷,但從技術、經濟角度來說,難以完全查明工作面內部地質構造整體影響范圍與程度。物探技術是煤體結構異常探查的有效方法,且被廣泛應用,《煤礦防治水細則》第三十六條中要求采用直流電阻率電測深、瞬變電磁、音頻電穿透、探地雷達、瑞利波及槽波無線電等方法探測,采煤工作面應當選擇兩種以上方法,相互驗證。無線電波透視、槽波地震勘探技術能夠查明對生產有影響的煤體結構異常情況,為煤礦井下回采工作面煤體結構異常預測預報提供可靠的技術依據,且綜合探測方法更有效。
1 綜合物探技術方法
1.1 無線電波透視法介紹
無線電波透視技術主要用于探查回采工作面內部地質構造(斷層、火成巖等)、煤體結構變化、煤層厚度變薄等;也可用于輔助工作面內瓦斯富集評價、富水性評價等領域的科學研究。
1.1.1 技術原理
無線電波透視法又稱坑透法。井下煤層為近均勻、各向同性介質,當采用長度小于波長的短偶極子天線在一條巷道向煤層中發射電磁波(偶極子天線輻射場見圖1),并使其在地下煤巖層介質中傳播,在距輻射源距離r處的電磁場強度為Hr,見公式(1),在另一條巷道的接收天線接收的是發射機所發射的電磁波在水平方向上的一個分量,且因為地下各種巖、礦石介質的電性(電阻率和介電常數等)不同,介質對電磁波能量吸收程度不同,地下煤層與巖層相比表現為相對高阻,低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用,當電磁波傳播過程中遇到斷層、火成巖、陷落柱等地質構造所導致的物性差異界面時,電磁波會在異常界面上發生不同的反射與折射作用,也造成電磁波能量的損耗,從而導致接收巷道中的電磁波信號十分微弱,甚至無法接收到透射信號,形成所謂的透射異常(又稱陰影異常)。通過分析回采工作面內地質構造等地質異常體造成的各種無線電波透視異常,進而進行工作面內部地質規律推斷與解釋,這就是無線電波透視法的基礎原理。
H0為初始場強;β為煤層對電磁波的吸收系數;f(θ)為方向性因子;r為M點到O點的直線距離(m);θ為偶極子軸與觀測方向的夾角。
1.1.2 勘探方法
無線電波透視勘探施工方法主要包括同步法和定點法兩種。同步法即發射端和接收端分別位于同一個回采工作面的不同巷道中,且等時等距離移動,逐點發射與接收,該方法因為存在未覆蓋區域,產生一定盲區,而較少采用,同步法施工示意圖見圖2。定點法也稱定點交匯法,為常用的施工方法,發射端和接收端同樣分別位于同一個回采工作面的不同巷道中,發射端一段時間內相對固定在一條巷道的一個位置,在這段時間里接收端在另一條巷道逐點接收,發射接收完成一條巷道后進行互換,并重復發射接收工作,達到完全透視觀測,一般發射點間距50m,且發射點位于任一站對應接收點的中點相對的另一條巷道位置,接收點一般間距為10m,且接收點數量大部分為11~21間的奇數,定點法施工示意圖見圖3。
1.1.3 數據處理及解釋
無線電波透勘探數據解釋方法主要有場強對比法與成析層像法兩種,數據處理主體流程見圖4,通過數據處理一般得到射線分布圖、綜合曲線圖、異常交匯平面圖、實測場強曲線圖、實測場強分布圖、吸收系數成像圖等。
場強對比法主要是根據地質構造對電磁波的異常反應,沿巷道觀測綜合曲線圖中實測場強、理論場強衰減的大小及曲線形態變化,從而判斷地質異常體的存在,同時結合收發點位置關系及綜合曲線,形成異常交匯,確定異常邊界。有時為方便分析,也可直接根據實測場強值的變化或曲線變化進行異常范圍的初步判斷。
成析層像法的應用主要體現在實測場強分布成像及吸收系數反演成像中,對于基于成析層像法的吸收系數反演成像,公式(1)為煤層介質中任意一點的磁場,然后把進行無線電波透視的回采工作面劃分為若干具有不同吸收系數的小單元,即像元,每個像元內部介質視為均勻的。網格劃分示意圖見圖5。


若電磁波第i個傳播距離為ri,那么它便代表了多個像元的距離之和,即為:
若像元內沒有射線穿過,令dij=0,則:
對數變換得:
在多處發射站對場強分別進行多次觀測,即可形成矩陣方程: [X][D]=[Y] (5)
式中:[X]—未知βi數矩陣;[D]—系數矩陣;[Y]—表示已知數矩陣,即實測值。
利用同時迭代重構技術等算法,計算矩陣方程可以反演各網格的吸收系數值,并實現回采工作面勘探與成像區域內的吸收系統反演成像,從而生成吸收系數等值線圖。
1.2 槽波地震勘探法介紹
槽波地震勘探是利用在煤層中激發和傳播的導波,探查煤層不連續性的一種地球物理方法,是地震勘探的一個分支。槽波地震勘探可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢棄巷道等地質異常,具有探測距離大,精度高
抗干擾能力強、波形特征易于識別以及最終成果直觀的優點,尤其在探測精度和距離上優于其他煤礦井下勘探方法,是目前最常用、最可靠、最重要的方法之一。
1.2.1 技術原理
槽波最重要的特性就是頻散,它需要在特定的煤巖層地質模型中產生。根據地層的沉積特性,煤層一般發育于頂底板為巖石的夾層地帶中,且頂底板巖性大多為泥巖、砂巖等,密度 ,對應地震波波速 ,通過波阻抗計算可知,頂底板相對于煤層而言是高阻抗界面,為地震波發生全反射提供保障。當在煤層中采用特定震源激發地震波時,縱波和橫波在煤層中向前傳播,會在煤層頂底板發生多次全反射,使得縱波和橫波的大部分能量被禁錮在煤層中,不斷向前傳播,在傳播的過程中發生疊加、相長干涉,從而便形成了槽波,主要包括拉夫型槽波、瑞雷型槽波兩種,拉夫型槽波因其具備物理構成簡單、易接收記錄等特性,應用更為廣泛。形成原理圖見圖6。
1.2.2 勘探方法
槽波勘探方法分為透射法(如圖7)和反射法(如圖8)。透射法一般炮點和檢波點布置在不同巷道進行施工,用于工作面地質構造、煤厚變薄探查,反射法一般炮點和檢波點按一定規律布置在同一條巷道內,可用于工作面構造探查,同時還著重于煤巷兩側構造探查。
1.2.3 數據處理及解釋
井下所采集的槽波地震數據需經過專門處理才能轉化為直觀的槽波成果圖,顯現工作面內的地質異常體的分布特點,槽波反射數據處理流程見圖9,槽波透射數據處理流程見圖10。
從槽波傳播規律知,拉夫型槽波約束在煤層中傳播,煤層的橫向均一性對槽波的干涉、速度、頻率、衰減均有調制作用。槽波在煤層中的傳播具有很好的穿透性,當工作面內煤層巖性單一、穩定時,槽波能夠穿透大部分工作面范圍,且能量衰減緩慢、速度變化較小、易于識別。當槽波在傳播過程中遇到斷層、陷落柱、采空區等異常地質構造或煤層變薄區時,槽波動力學特性(能量、速度)會發生改變。就斷層而言,若斷層斷距大于煤層厚度,煤層被完全斷開,這就相當于介質由煤層完全變為巖石,則槽波無法穿透到達另一盤或無法到達巖石區,造成槽波能量的迅速衰減、速度迅速增高;當斷層斷距小于煤厚但大于1/2煤厚時,煤層沒有被完全斷開,煤層的上下盤之間仍有煤層鏈接,這就相當于過斷層區域的煤厚變薄或煤層分叉變薄,槽波頻散曲線向高頻方向移動,槽波高頻部分能夠透過斷層,而低頻部分則被斷層遮擋住,因此過斷層前后槽波的總體能量降低,速度增大,能量衰減的越多、速度增大的越多,則斷層的斷距也越大、煤層越??;當斷層斷距小于1/2煤厚時,大部分槽波能夠穿透斷層,槽波的能量衰減較小,速度變大幅度較小,從其中不易觀察到斷層的形態。
從P波傳播規律知,P波主要沿煤巖界面附近傳播,相對煤層內部的槽波,煤巖交界處的P波表現為速度快、能量弱的特征。煤層因斷層切割或頂板巖性不均勻將引起P波的傳播速度差異,即煤巖界面處的P波速度差異可用來分析斷頂或斷底的斷層構造及煤巖性變化。
總體解釋順序是先宏觀后微觀,先巷道后面內,先解釋已揭露構造后推斷未揭露構造,先大構造后小構造。
2 應用實例
2.1 工程概況
富力煤礦-450南擴區22層工作面地質構造較復雜,主要受F4-1、f和f1三個斷層影響(F4-1斷層走向35°左右,傾向125°左右,落差50米左右,f斷層走向60°左右,傾向150°左右,f1斷層走向147°左右,傾向57°左右,落差1米左右),在斷層附近煤層產狀變化較大,常伴生一些小的斷層,出現牽引褶曲現象,煤層厚度變化嚴重,對生產具有一定的影響。需借助槽波地震勘探及無線電波坑道透視探測技術在該礦-450南擴區22層工作面開展煤體結構異??碧?。
2.2 施工布置
富力煤礦-450南擴區22層工作面無線電波透視勘探中,前串風道共標記測點51個,測點間距10m,其中由于巷道未貫通33#到39#之間沒有測點,最后在33#和39#各補發了一組數據;前串機道共標記測點51個,測點間距10m。測點布置與射線分布示意圖見圖11。

-450南擴區22層工作面槽波地震勘探,采用槽波透射勘探方式,前串風道共布置檢波點50個,檢波點間距10m,布置炮點25個,炮點間距20m;-450南擴區22層前串機道共布置檢波點48個,檢波點間距10m,布置炮點25個,炮點間距20m。因巷道未貫通其中-450南擴區22層前串風道檢波點J18距J19間距為70m,P9距P10間距為80m。圖12為測點布置圖,圖13為射線分布示意圖。
2.3 應用成果
圖14為富力煤礦-450南擴區22層工作面無線電波透視衰減系數平面圖。圖中數據值大小用不同色標值表示,其中暖色調為高電磁波吸收系數值,冷色調為低電磁波吸收系數值。正常煤層段場強大吸收系數小,地質異常區(構造區、煤厚變薄、夾矸增厚等)強減降低、吸收系數增大。在工作面退尺走向上劃分出4處高吸收系數異常段,編號為KTXYC1~KTXYC4??油附饈鴕煥辣砑?。

圖15-17為槽波透射勘探能量衰減系數、槽波速度、P波速度分布圖,通過確定高能量衰減、高速區確定6處異常,異常描述與地質解析見表2。



通過對比坑透、槽波透射勘探成果形成對比圖,如圖18,并確定物探準確性,最終確定綜合物探成果,詳見圖19綜合物探地質成果圖,綜合物探地質解析表見表3。


表3 富力煤礦-450南擴區22層工作面綜合物探
地質解釋成果一覽表

 
2.4 揭露對比
將綜合物探成果與風道素描進行對比,進一步驗證準確性,對比圖見圖20,圖21。

3 結束語
1)對于回采工作面內地質構造、煤層厚度變薄等煤體結構異??碧街?,無線電波透視技術、槽波透射勘探技術均能有效勘探出地質異常發育主體范圍,槽波透射勘探相比無線電波透視勘探對異?;指?,但兩種技術互補、互相驗證,在存在異常重疊時基本可以確定異常的真實性,增加了勘探準確率,同時有效使解釋工作更加輕松。采用綜合物探技術能夠更好的為地質預測預報提供可靠技術依據;
2)在進行工作面無線電波透視勘探、槽波地震勘探成果分析及地質解釋過程中,應遵循從宏觀到微觀,從巷道到面內,從已知到未知,從實際揭露構造到內部隱伏構造的原則,通過不同物探方法結果、已知構造驗證物探異常區域劃分的正確性,進而進行未知區域解釋。
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