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      综合物探技术在回采工作面煤体结构异常探查中的应用
      新闻作者:技术中心 白永利  发布时间:2019-07-17  查看次数:  放大 缩小 默认
      摘 要:查明回采工作面内部地质构造发育、煤层厚度变薄等煤体结构异常情况,能够有效提高回采工作效率与煤炭资源回采率,同时为回采过程中的安全与技术工作提供技术依据,实际中常采用无线电波透视技术、槽波地震勘探技术等进行探查,且为达到更好的探测效果与对比分析,煤矿井下会采用两种或两种以上的物探方法进行综合探测。为研究综合物探技术在回采工作面煤体结构异常探查方面的可靠性,选取具有地质构造发育、煤层厚度变薄的典型回采工作面,采用无线电波透视技术、槽波地震勘探技术进行井下实测,通过对实测数据处理,并结合CT成像技术得到无线电波衰减系数、槽波能量衰减系数、槽波速度、P波速度分布图,结果表明:对于存在煤体结构异常的回采工作面,在异常处无线电波衰减系数大、槽波能量衰减系数大、槽波速度大、P波速度大,且效果明显。通过在有别于理论模型的井下现场的实测应用,充分说明了采用无线电波透视与槽波地震勘探综合探测技术能够有效探查煤层工作面煤体结构异常情况。
      关键词:综合物探;无线电波透视技术;槽波地震勘探;回采工作面;煤体结构异常;CT成像技术
      0 引言
      回采工作面内部地质构造等煤体结构异常长期以来一直严重影响着煤矿井下煤炭回采工作,特别是在煤炭资源开采趋于机械化开采、深部开采的现状下,地质构造愈发复杂,影响程度也愈发严重,且在安全与技术方面影响尤为突出,从对安全影响角度讲,地质构造往往是水体的导通通道,特别当地质构造连通富水采空区、富含水层等时,如果回采到该位置但未采取安全措施,在应力结构发生破坏区,往往会发生突透水事故时,造成严重的生命、财产威胁,同时,地质构造也是主要的瓦斯富集区域之一,误揭富含瓦斯断层等构造,往往会发生瓦斯事故。从对技术影响角度讲,地质构造发育、煤厚变薄严重不仅给资源回采造成技术难题,还会造成煤炭资源无法最大化回采,同时,针对其可能带来的安全问题所采取的技术措施与方案也愈发难以准确制定。回采工作前查明工作面内部煤体结构异常情况迫在眉睫,特别是一些规模较大的地质构造,煤矿一般采取钻探、巷探等措施,并根据周边巷道实际揭露进行地质推断,但从技术、经济角度来说,难以完全查明工作面内部地质构造整体影响范围与程度。物探技术是煤体结构异常探查的有效方法,且被广泛应用,《煤矿防治水细则》第三十六条中要求采用直流电阻率电测深、瞬变电磁、音频电穿透、探地雷达、瑞利波及槽波无线电等方法探测,采煤工作面应当选择两种以上方法,相互验证。无线电波透视、槽波地震勘探技术能够查明对生产有影响的煤体结构异常情况,为煤矿井下回采工作面煤体结构异常预测预报提供可靠的技术依据,且综合探测方法更有效。
      1 综合物探技术方法
      1.1 无线电波透视法介绍
      无线电波透视技术主要用于探查回采工作面内部地质构造(断层、火成岩等)、煤体结构变化、煤层厚度变薄等;也可用于辅助工作面内瓦斯富集评价、富水性评价等领域的科学研究。
      1.1.1 技术原理
      无线电波透视法又称坑透法。井下煤层为近均匀、各向同性介质,当采用长度小于波长的短偶极子天线在一条巷道向煤层中发射电磁波(偶极子天线辐射场见图1),并使其在地下煤岩层介质中传播,在距辐射源距离r处的电磁场强度为Hr,见公式(1),在另一条巷道的接收天线接收的是发射机所发射的电磁波在水平方向上的一个分量,且因为地下各种岩、矿石介质的电性(电阻率和介电常数等)不同,介质对电磁波能量吸收程度不同,地下煤层与岩层相比表现为相对高阻,低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用,当电磁波传播过程中遇到断层、火成岩、陷落柱等地质构造所导致的物性差异界面时,电磁波会在异常界面上发生不同的反射与折射作用,也造成电磁波能量的损耗,从而导致接收巷道中的电磁波信号十分微弱,甚至无法接收到透射信号,形成所谓的透射异常(又称阴影异常)。通过分析回采工作面内地质构造等地质异常体造成的各种无线电波透视异常,进而进行工作面内部地质规律推断与解释,这就是无线电波透视法的基础原理。
      H0为初始场强;β为煤层对电磁波的吸收系数;f(θ)为方向性因子;r为M点到O点的直线距离(m);θ为偶极子轴与观测方向的夹角。
      1.1.2 勘探方法
      无线电波透视勘探施工方法主要包括同步法和定点法两种。同步法即发射端和接收端分别位于同一个回采工作面的不同巷道中,且等时等距离移动,逐点发射与接收,该方法因为存在未覆盖区域,产生一定盲区,而较少采用,同步法施工示意图见图2。定点法也称定点交汇法,为常用的施工方法,发射端和接收端同样分别位于同一个回采工作面的不同巷道中,发射端一段时间内相对固定在一条巷道的一个位置,在这段时间里接收端在另一条巷道逐点接收,发射接收完成一条巷道后进行互换,并重复发射接收工作,达到完全透视观测,一般发射点间距50m,且发射点位于任一站对应接收点的中点相对的另一条巷道位置,接收点一般间距为10m,且接收点数量大部分为11~21间的奇数,定点法施工示意图见图3。
      1.1.3 数据处理及解释
      无线电波透勘探数据解释方法主要有场强对比法与成析层像法两种,数据处理主体流程见图4,通过数据处理一般得到射线分布图、综合曲线图、异常交汇平面图、实测场强曲线图、实测场强分布图、吸收系数成像图等。
      场强对比法主要是根据地质构造对电磁波的异常反应,沿巷道观测综合曲线图中实测场强、理论场强衰减的大小及曲线形态变化,从而判断地质异常体的存在,同时结合收发点位置关系及综合曲线,形成异常交汇,确定异常边界。有时为方便分析,也可直接根据实测场强值的变化或曲线变化进行异常范围的初步判断。
      成析层像法的应用主要体现在实测场强分布成像及吸收系数反演成像中,对于基于成析层像法的吸收系数反演成像,公式(1)为煤层介质中任意一点的磁场,然后把进行无线电波透视的回采工作面划分为若干具有不同吸收系数的小单元,即像元,每个像元内部介质视为均匀的。网格划分示意图见图5。


      若电磁波第i个传播距离为ri,那么它便代表了多个像元的距离之和,即为:
      若像元内没有射线穿过,令dij=0,则:
      对数变换得:
      在多处发射站对场强分别进行多次观测,即可形成矩阵方程: [X][D]=[Y] (5)
      式中:[X]—未知βi数矩阵;[D]—系数矩阵;[Y]—表示已知数矩阵,即实测值。
      利用同时迭代重构技术等算法,计算矩阵方程可以反演各网格的吸收系数值,并实现回采工作面勘探与成像区域内的吸收系统反演成像,从而生成吸收系数等值线图。
      1.2 槽波地震勘探法介绍
      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、波形特征易于识别以及最终成果直观的优点,尤其在探测精度和距离上优于其他煤矿井下勘探方法,是目前最常用、最可靠、最重要的方法之一。
      1.2.1 技术原理
      槽波最重要的特性就是频散,它需要在特定的煤岩层地质模型中产生。根据地层的沉积特性,煤层一般发育于顶底板为岩石的夹层地带中,且顶底板岩性大多为泥岩、砂岩等,密度 ,对应地震波波速 ,通过波阻抗计算可知,顶底板相对于煤层而言是高阻抗界面,为地震波发生全反射提供保障。当在煤层中采用特定震源激发地震波时,纵波和横波在煤层中向前传播,会在煤层顶底板发生多次全反射,使得纵波和横波的大部分能量被禁锢在煤层中,不断向前传播,在传播的过程中发生叠加、相长干涉,从而便形成了槽波,主要包括拉夫型槽波、瑞雷型槽波两种,拉夫型槽波因其具备物理构成简单、易接收记录等特性,应用更为广泛。形成原理图见图6。
      1.2.2 勘探方法
      槽波勘探方法分为透射法(如图7)和反射法(如图8)。透射法一般炮点和检波点布置在不同巷道进行施工,用于工作面地质构造、煤厚变薄探查,反射法一般炮点和检波点按一定规律布置在同一条巷道内,可用于工作面构造探查,同时还着重于煤巷两侧构造探查。
      1.2.3 数据处理及解释
      井下所采集的槽波地震数据需经过专门处理才能转化为直观的槽波成果图,显现工作面内的地质异常体的分布特点,槽波反射数据处理流程见图9,槽波透射数据处理流程见图10。
      从槽波传播规律知,拉夫型槽波约束在煤层中传播,煤层的横向均一性对槽波的干涉、速度、频率、衰减均有调制作用。槽波在煤层中的传播具有很好的穿透性,当工作面内煤层岩性单一、稳定时,槽波能够穿透大部分工作面范围,且能量衰减缓慢、速度变化较小、易于识别。当槽波在传播过程中遇到断层、陷落柱、采空区等异常地质构造或煤层变薄区时,槽波动力学特性(能量、速度)会发生改变。就断层而言,若断层断距大于煤层厚度,煤层被完全断开,这就相当于介质由煤层完全变为岩石,则槽波无法穿透到达另一盘或无法到达岩石区,造成槽波能量的迅速衰减、速度迅速增高;当断层断距小于煤厚但大于1/2煤厚时,煤层没有被完全断开,煤层的上下盘之间仍有煤层链接,这就相当于过断层区域的煤厚变薄或煤层分叉变薄,槽波频散曲线向高频方向移动,槽波高频部分能够透过断层,而低频部分则被断层遮挡住,因此过断层前后槽波的总体能量降低,速度增大,能量衰减的越多、速度增大的越多,则断层的断距也越大、煤层越薄;当断层断距小于1/2煤厚时,大部分槽波能够穿透断层,槽波的能量衰减较小,速度变大幅度较小,从其中不易观察到断层的形态。
      从P波传播规律知,P波主要沿煤岩界面附近传播,相对煤层内部的槽波,煤岩交界处的P波表现为速度快、能量弱的特征。煤层因断层切割或顶板岩性不均匀将引起P波的传播速度差异,即煤岩界面处的P波速度差异可用来分析断顶或断底的断层构造及煤岩性变化。
      总体解释顺序是先宏观后微观,先巷道后面内,先解释已揭露构造后推断未揭露构造,先大构造后小构造。
      2 应用实例
      2.1 工程概况
      富力煤矿-450南扩区22层工作面地质构造较复杂,主要受F4-1、f和f1三个断层影响(F4-1断层走向35°左右,倾向125°左右,落差50米左右,f断层走向60°左右,倾向150°左右,f1断层走向147°左右,倾向57°左右,落差1米左右),在断层附近煤层产状变化较大,常伴生一些小的断层,出现牵引褶曲现象,煤层厚度变化严重,对生产具有一定的影响。需借助槽波地震勘探及无线电波坑道透视探测技术在该矿-450南扩区22层工作面开展煤体结构异常勘探。
      2.2 施工布置
      富力煤矿-450南扩区22层工作面无线电波透视勘探中,前串风道共标记测点51个,测点间距10m,其中由于巷道未贯通33#到39#之间没有测点,最后在33#和39#各补发了一组数据;前串机道共标记测点51个,测点间距10m。测点布置与射线分布示意图见图11。

      -450南扩区22层工作面槽波地震勘探,采用槽波透射勘探方式,前串风道共布置检波点50个,检波点间距10m,布置炮点25个,炮点间距20m;-450南扩区22层前串机道共布置检波点48个,检波点间距10m,布置炮点25个,炮点间距20m。因巷道未贯通其中-450南扩区22层前串风道检波点J18距J19间距为70m,P9距P10间距为80m。图12为测点布置图,图13为射线分布示意图。
      2.3 应用成果
      图14为富力煤矿-450南扩区22层工作面无线电波透视衰减系数平面图。图中数据值大小用不同色标值表示,其中暖色调为高电磁波吸收系数值,冷色调为低电磁波吸收系数值。正常煤层段场强大吸收系数小,地质异常区(构造区、煤厚变薄、夹矸增厚等)强减降低、吸收系数增大。在工作面退尺走向上划分出4处高吸收系数异常段,编号为KTXYC1~KTXYC4。坑透解释一览表见表1。

      图15-17为槽波透射勘探能量衰减系数、槽波速度、P波速度分布图,通过确定高能量衰减、高速区确定6处异常,异常描述与地质解析见表2。



      通过对比坑透、槽波透射勘探成果形成对比图,如图18,并确定物探准确性,最终确定综合物探成果,详见图19综合物探地质成果图,综合物探地质解析表见表3。


      表3 富力煤矿-450南扩区22层工作面综合物探
      地质解释成果一览表

       
      2.4 揭露对比
      将综合物探成果与风道素描进行对比,进一步验证准确性,对比图见图20,图21。

      3 结束语
      1)对于回采工作面内地质构造、煤层厚度变薄等煤体结构异常勘探中,无线电波透视技术、槽波透射勘探技术均能有效勘探出地质异常发育主体范围,槽波透射勘探相比无线电波透视勘探对异常划分更精细,但两种技术互补、互相验证,在存在异常重叠时基本可以确定异常的真实性,增加了勘探准确率,同时有效使解释工作更加轻松。采用综合物探技术能够更好的为地质预测预报提供可靠技术依据;
      2)在进行工作面无线电波透视勘探、槽波地震勘探成果分析及地质解释过程中,应遵循从宏观到微观,从巷道到面内,从已知到未知,从实际揭露构造到内部隐伏构造的原则,通过不同物探方法结果、已知构造验证物探异常区域划分的正确性,进而进行未知区域解释。
      参考文献
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