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综合矿井物探方法在探查煤层构造的应用

发布时间:2019-11-20 16:57所属平台:学报论文发表浏览:

摘要:采用2种矿井物探方法探明了工作面煤层中构造的发育情况以及构造在煤层底板的含/导水性。介绍了矿井槽波地震和音频电透视的基本原理和资料处理方法。根据工作面实际水文地质条件,研究采用槽波地震和音频电透视综合矿井物探方法进行探测。 结果表明,槽

  摘要:采用2种矿井物探方法探明了工作面煤层中构造的发育情况以及构造在煤层底板的含/导水性。介绍了矿井槽波地震和音频电透视的基本原理和资料处理方法。根据工作面实际水文地质条件,研究采用槽波地震和音频电透视综合矿井物探方法进行探测。

  结果表明,槽波地震成果在煤层中发现陷落柱,音频电透视在陷落柱底板发育相对富水异常区。经过钻孔和回采揭露验证,槽波成果发现的陷落柱范围较准,横向精度较高;音频电透视成果在平面和垂向范围均较准。综合2种物探成果预测预报了回采工作面中构造及其含/导水性。研究为工作面防治水工作提供了参考。

  关键词:矿井综合物探;槽波地震;音频电透视;三维反演;含/导水构造

矿井

  0引言

  随着我国煤矿机械化开采技术不断提高,煤矿回采工作面规模越来越大,工作面所包括的地质构造也越来越多,伴随着地质条件也越来越复杂。矿井地球物理探测技术作为一种快速、无损、准确的高效探测手段[1],广泛应用于煤矿回采工作面的构造探查中。工作面应用的矿井物探方法比较多,有槽波地震、音频电透视、无线电波透视、瞬变电磁法等。

  槽波地震具有传播距离长、探测构造精度高的特点,比较适合长、宽工作面[2]。20世纪80年代时由煤炭部组织引进,煤炭科学研究总院重庆分院进行了折射波方面的研究;安徽理工大学进行了发射地震的研究;煤炭科学研究总院西安分院和中国矿业大学进行了煤层槽波的研究。随后从德国引进了槽波地震仪,研究煤层槽波勘探技术,近些年得到了广泛的应用[3]。

  矿井音频电透视准确而言属直流电法类,直流电法早期国外由俄罗斯和乌克兰等发展起来,国内中国矿业大学、中国科技大学等高校及煤炭科学研究总院等相关科研院所相继开展了较多算法理论与应用方面的研究[4-8]。该方法在探测宽工作面的顶底板富水性方面具有独特的优势,在近些年开展了音频电透电透视针对含/导水构造的数值模拟,分析了其典型的响应特征[9],并将电阻率的三维反演应用于实测音频电透视数据,在鄂尔多斯矿区成功解决了较多工作面水文地质问题。

  1方法简介

  1.1槽波地震

  在沉积地层中,煤层是一个相对速度低的地震槽,煤层的顶底板岩层呈良好的反射面,煤层相比围岩以低速度、低密度、低阻抗出现。在煤层中激发地震波,以震源为中心,以球面体波形式和不同角度入射到顶底板界面。当满足一定条件时,谐波在煤层内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波,不断传播就形成了槽波[10-11]。

  在自主研发的GeoCoal槽波地震数据处理系统进行数据处理和资料解释。槽波地震数据处理流程[12]:(1)数据预编辑。剔除空炮、坏道、不正常道,重排数据使之便于处理,提高数据的准确性。(2)建立观测系统。震源激发点与接收点间的几何位置的布置关系。(3)初至校正。依据地震波传播理论对各道初至时间进行校正。(4)槽波能量扩散补偿。原始单炮经扩散补偿校正后,远距离记录能量得到加强,层次更加清楚。

  (5)宽频滤波。压制纵波和横波,提高槽波的信噪比,同时也可以分出不同模式的槽波。(6)波场类型和速度分析。实际采集的槽波数据包含较高的噪声,为了压制围岩折射纵波、折射横波,提高槽波的信噪比,对采集的槽波数据要进行高通滤波。(7)频散分析。据槽波频散公式计算槽波的频散曲线,求出各频率上槽波的速度。

  1.2音频电透视

  由于地下各种岩(矿)石间存在导电差异,影响人工电场的分布形态。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的[7]。存在局部异常体时,点电源场的分布特征可等效于原始点电源场与局部异常地质体附加场的总和[14]。音频电透视的数据处理手段为电阻率的三维反演:三维电阻率正演部分采用有限体积法离散偏微分方程并用预条件双共轭梯度稳定算法进行求解。三维电阻率反演采用拟高斯—牛顿法进行反演拟合,并用预条件共轭梯度法计算更新模型,反演过程中采用吉洪诺夫正则化对模型进行约束[9]。

  2工程应用

  2.1工程概况

  研究区位于华北鄂尔多斯盆地某煤矿的综采工作面,埋深约为400m,煤层厚度为20m左右,距离奥灰顶界面约50m,煤层底板隔水层承受奥灰水压力1.0MPa左右,突水系数小于临界突水系数0.06MPa/m。当工作面采动影响范围内发育着导水岩溶陷落柱时,下伏奥灰含水层将对煤层开采形成严重威胁。

  煤层为石炭系上统太原组第3岩段上部,含4~7层夹矸,夹矸岩性多为泥岩、砂质泥岩。煤层顶板多为粗粒砂岩、细粒砂岩,局部为泥岩;底板多为泥岩、砂质黏土岩,局部为粗粒砂岩。工作面倾向宽255m。

  2.2工程布置

  根据工作面的水文地质条件,影响工作面安全回采的主要威胁来自于垂向导水构造,因此,设计采用槽波地震探查煤层中的构造发育情况,音频电透视探查工作面底板富水性和槽波成果中构造的含/导水情况。槽波地震采用炮间距30m,接收点距10m,运输巷、回风巷和切眼均布设炮点和接收点。音频电透视采用的施工装置为多巷发射[15]、单极—偶极装置,发射点距50m,接收点距10m,采用不对称点布设方式以减小盲区,双频施工(15Hz和120Hz),每个发射点号均完成接收点数15~25个。

  槽波地震在工作面切眼附近发育1个煤层中的异常区(槽波异常),发育规模为38m×32m;音频电透视在煤层底板下40~80m层位发育1处低阻异常区(电透异常),发育规模30m×62m,异常幅值较强。根据巷道揭露情况,该区域在掘进期间层位正常,未见巷道顶底地质异常。在该区域水文地质情况了解程度不深,综合分析物探成果发现的异常可能为该区域煤层中存在构造发育,裂隙相对发育导致底板下岩层富水性较强,不排除为陷落柱发育。

  2.3钻探验证

  根据物探成果,矿方对该区域非常重视,分别从运输巷、回风巷、切眼各布设2个钻孔,终孔平面位置在异常区内和附近。根据以往数据,工作面回采后底板破坏深度约为35m,因此Z1、Z2、Z5、Z6孔垂深为35m左右,探查砂岩层位;Z3和Z4孔垂深为50m左右,探查奥灰顶界面层位。6个钻孔均未发现明显的层位异常,其中Z1、Z2、Z5、Z6出水量均小于1m3/h,Z3和Z4孔出水量在3~10m3/h,说明音频电透视成果的异常区域富水性较强结论正确。分别对6个钻孔进行了注浆封孔,注浆量也未出现异常增大。据此,矿方决定回采,在靠近物探异常区时注意观察顶、底板岩性情况。

  2.4回采揭露情况

  回采进入物探异常区时,调查发现该区域附近煤层层理、夹矸断裂不连续,周围见垂向节理发育,煤层见很多黄铁矿结合体,垂向节理见白色方解石发育,未见渗水淋水现象,判断为发育陷落柱,充填致密,并未断掉全部煤层。根据现场情况,决定快速通过减小底板的破坏深度,揭露的陷落柱范围为30m×62m,回采结果验证了槽波成果的正确率,横向上精度高,纵向上相对较低。

  3结论

  (1)采用槽波地震能够探明煤层中发育至一定规模的构造。

  (2)音频电透视能够探查宽工作面底板岩层的富水性。

  (3)采用穿层钻孔去探查规模较小的构造时难度较大,没有标志层导致没有判断钻孔异常依据。因此,需充分结合物探和钻孔成果分析水文地质异常区,从而保障煤矿安全生产。

  参考文献(References):

  [1]程建远,石显新.中国煤炭物探技术的现状与发展[J].地球物理学进展,2013,28(4):2024-2032.ChengJianyuan,ShiXianxin.CurrentstatusanddevelopmentofcoalgeophysicaltechnologyinChina[J].ProgressinGeophysics,2013,28(4):2024-2032.

  [2]王季,李刚,吴国庆,等.采煤工作面地质异常体透射槽波探测技术[J].煤炭科学技术,2016,44(6):159-163,193.WangJi,LiGang,WuGuoqing,etal.Transmittedchannelwavedetectingtechnologyofgeologicanomalousbodyincoalminingface[J].CoalScienceandTechnology,2016,44(6):159-163,193.

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