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煤矿井下槽波地震勘探论文

2015/04/30 阅读:

1设计理念

矿用节点式地震仪的设计理念可以概括为“节点式设计、独立型激发、分布式采集、三通道存储、集中式回收”,这些设计理念较好地呼应了煤矿井下地震仪器设计的客观需求,其主要特点体现在[4-5]:1)节点式设计是指仪器无主机、无大线、无数据传输,节点式地震仪集传统的分布式仪器的主机、采集站、交叉站、电源站于一体,可以灵活布设、方便采集,但又遵守统一的时间约定。2)独立型激发是指可以独立同时激发(ISS,in-dependentsimultaneousshooting)方式采集,对震源激发时间不作任何制约,可在确保安全的情况下同时放炮,大幅提高了作业效率,缩短了采集时间。3)分布式采集是指以各个节点式地震仪为单元,按照设计的位置布设接收点,独立进行数据采集,采集道数可以自由扩展。4)三通道存储是指每台节点式地震仪设计为3个通道,可以满足三分量采集的需求。5)集中式回收是指井下数据采集结束后,全部数据在回到地面后利用高速以太网实现数据集中回收。综上可知,基于“节点式设计、独立型激发、分布式采集、三通道存储、集中式回收”的仪器设计理念,矿用节点式地震仪实现了本安防爆、技术先进、施工快捷的要求,每个采集通道的折合质量约1kg,为煤矿井下槽波地震勘探技术的应用奠定了基础。

2槽波地震的观测系统设计

2.1槽波地震勘探原理在煤层与顶底板的3层地质结构中,煤层的速度、密度相对较低,是一个“低速槽”,且煤层与顶、底板存在较大的波阻抗差异,属于良好的地震反射界面。因此,在煤层中激发的地震波,遇到煤层顶底板后就会发生反射、透射和折射,且在较短的距离内地震反射波的入射角将会达到或超过临界角,从而形成了全反射的条件,此后地震波的能量被“禁锢”在煤层的低速槽中而极少“逃逸”出去。因此,槽波是一种在煤层中激发、在煤层中接收、沿煤层传播的制导波,其理论基础完备,形成机理、传播方式、波场特征等比较清楚。槽波地震探测就是利用煤层的这一导波特性,以探查煤层内断层、陷落柱、煤厚变薄区、岩浆岩侵入范围等地质异常的一种地球物理探测方法,它也是目前煤矿井下构造探测精度最高的方法[6-8]。

2.2槽波地震勘探方法槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波,探查煤层不连续性的一种地球物理方法,是地震勘探的一个分支。槽波地震勘探可以探查小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、采空区及废弃巷道等地质异常,具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别以及最终探测结果直观的优点,在探测精度、探测距离上优于其他煤矿井下物探方法,是目前最有效的煤矿井下探测方法之一。煤矿井下槽波地震勘探方法主要包括透射槽波地震勘探技术和反射槽波地震勘探技术,其中透射槽波地震勘探技术较为成熟、应用广泛。1)透射槽波的观测系统。它是利用从震源透过煤层传至接收点的槽波信号,以探测工作面内断层、陷落柱、煤层变薄区等地质异常体。因此,透射槽波地震勘探时,炮点与检波点布置在不同巷道内,根据槽波的有无、强弱来判断有无构造异常,透射槽波的最大探测距离可达煤厚的300倍。考虑到基建矿井、生产矿井的巷道条件以及地质需求,图1给出了几种典型的透射槽波地震勘探观测系统设计示意[12]。图1中的巷道以2条平行细线来代表,炮点与检波点分别布置在巷道中,炮点距离、检波点距离等依据设计要求确定;图1中的阴影区域为透射槽波控制区域。可以看出:节点式地震仪能够灵活适应各种巷道的任意组合形式,这是集中式或分布式槽波地震仪所无法比拟的。2)反射槽波的观测系统。对于反射槽波而言,炮点与检波点布置在同一巷道内,其最大优点是可以开展巷道两侧或掘进工作面前方的小构造探测,反射槽波探测的距离可以达到煤厚的100倍。如果槽波在煤层中传播时遇到了地震波的波阻抗差异界面,就会产生反射槽波信号,通过分析反射槽波信号就能判断出煤层不连续体的位置,从而进行地质推断解释。但是,目前煤矿井下反射槽波地震探测技术尚不成熟

3探测实例分析

在过去的十年里,煤炭资源高效开采技术与装备发展迅速,煤炭资源高效集约化开采成为未来的一种发展趋势,其突出特征表现在“一井一面”、全煤巷掘进、综采放顶煤、超长超宽工作面以及快速掘进等,这就要求煤矿地质工作要能够满足大距离、超前探测的要求,透视槽波地震勘探技术可以实现采区、盘区范围、多个工作面以及超长超宽工作面的超前探测。

3.1超大工作面槽波地震勘探某矿1904N工作面走向长1834m,倾向长317~330m,开采9号煤层(图2)。掘进过程中共发现断层14条,其中落差大于1m的7条,未发现岩溶陷落柱。9号煤层厚度3.58m,分为上、下分层,其中夹矸厚0.05~0.27m;煤层上分层平均厚度1.20m。工作面内煤层倾角在21°~36°,平均倾角26°。按照矿方要求,仅对1904N工作面中段1200m的范围进行探测(图2虚线范围)。如果采用煤矿井下有线地震仪施工,至少需要分别铺设2000m的炮线、通信线和1200m的接收电缆,工作量较大;而采用基于节点式的无缆地震仪进行数据采集,无需布设炮线、通信线,施工效率可以提高3~4倍。经过正演模拟,槽波地震勘探的观测系统参数如下:回风巷、运输巷均采用10m接收道距,共布置检波点258个;回风巷、运输巷均采用30m炮间距,共布设激发物理点94个。数据采集时,回风巷、运输巷分别独立激发,布设在回风巷、运输巷的所有检波器同时接收。图3给出了回风巷激发、运输巷接收的透射槽波记录,透射槽波能量较强;图3左侧虚线圈定的范围内,槽波透射能量较弱,这与运输巷实际揭露的落差2m是一致的;另外,槽波实际透射距离大于800m。

3.2盘区槽波地震勘探由于透射槽波的探测距离较大,因此利用透射槽波探测技术可以实现大距离的盘区探测,从而通过一次探测可以实现2~4个工作面的构造探测,为盘区范围工作面的优化设计提供依据。图4中某盘区包括2个工作面,每个工作面设计走向长度2800m、倾向宽度220m,其上部工作面巷道掘进长度2800m,2个工作面中间的巷道掘进长度500m,下部工作面巷道掘进长度1300m(图4)。采用节点式地震仪可以灵活布设的优势,在每条巷道均匀布设炮点与接收点,其中左侧2个梯形区域为利用3条巷道联合透视的控制范围,而右侧三角形区域为仅利用上、下2条巷道的控制范围。因此,利用透射槽波探测技术可以实现采区、盘区工作面的大距离探测。在煤层埋藏较浅、地形崎岖、工农关系复杂地区,在地面开展三维地震难度较大,且效果不好。这时,如果借助煤矿井下大距离槽波透视技术,实现盘区构造的精细探测,可以达到事半功倍的效果。

3.3跨层透射槽波地震勘探在高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井以及水害严重矿井,在采煤工作面布设前,为了确保安全生产,需要提前开拓瓦斯高抽巷或底板泄水巷,以掩护煤巷安全掘进。在这种情况下,可以从瓦斯高抽巷或底板泄水巷向目标煤层施工浅孔,利用钻孔布设炮点/检波点,并结合一条掘进的煤巷,构成跨越空间岩巷—煤巷的三维立体探测系统,实现地质构造的超前探测。

4结论

1)相对于常规的集中式地震仪、分布遥测式地震仪而言,节点式地震仪不需要主机、交叉站、电源站和大线,施工时不需要相互通信,无需布设炮线、电话线,且具备独立同步施工的能力,是煤矿井下槽波地震勘探的理想仪器。2)节点式地震仪采用“节点式设计、独立型激发、分布式采集、三通道存储、集中式回收”的设计理念,较好地满足煤矿井下地震仪器本安防爆、指标先进、施工快捷等基本要求。3)节点式地震仪灵活、无约束布设的优势,使得煤矿井下超长超宽工作面、互不贯通的巷道之间以及采区、盘区和煤巷-岩巷跨层条件下的槽波地震探测得以实现。为了更好地发挥煤矿井下槽波地震勘探技术的优势,今后应该进一步加大反射槽波地震勘探、钻孔—巷道的透射槽波地震勘探技术与装备研究。

作者:程建远江浩姬广忠吴海单位:中国煤炭科工集团西安研究院有限公司

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