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| 矿井地质探测仪在构造超前探测中的应用分析 |
摘 要：为提高矿井地质探测仪在掘进工作面构造探测中的准确性，有效指导矿井的安全生产，使用矿井巷道地质探测仪对不同条件下弹性波速度参数进行分析及试验，确定了不同煤层、不同赋存情况下速度分析参数的设定方法。根据实际揭露情况验证分析表明，该技术大大提高了构造探测的准确率。
关键词：构造；超前探测；弹性波；速度分析参数
地震勘探作为主要物探的方法之一，广泛应用于煤矿采区合理布置、主巷道开拓、综采工作面开采地质条件评价，在采区设计优化、避免和减少地质风险、优选采煤方法、提高资源采出率、降低万吨掘进率等方面起到了重要作用。但据相关资料统计，许多物探仪器探测结果准确率平均在45%，有的甚至不到20%。为了使探测仪器与实际地质情况有机结合，提高矿井采掘工作面构造探测的准确性，笔者结合平煤股份十一矿多煤层构造复杂区域开采的实际条件，通过对不同条件下弹性波速度分析参数研究及试验，找出探测设备与地质条件的有机结合点，使探测准确率大为提高。
1 超前探测系统工作原理
矿井巷道震波超前探测系统(Mine Seismic Prediction，MSP)是一套适合各种矿井条件的巷道超前预测技术，该系统以本安型KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为中心，利用在巷道内按一定的排列方式激发人工地震波(即弹性波)，在向三维空间传播的过程中，遇到波阻界面(即地质岩性变化的界面、断层界面、构造破碎带等)将会产生弹性波的反射现象，反射波被检波器接收下来，通过数据处理从中获取探测前方的反射波信息，从而达到预报的目的，是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震探测技术。
2 研究方法及技术路线
2.1 研究方法
在不断的探索过程中，十一矿先对有揭露资料的巷道进行探测，探测后进行对比分析，找到弹性波速度分析参数在不同煤(岩)层的设定规律后，完成了多条巷道的探测工作，收集了大量的探测资料，并在多个开掘工作面进行应用且不断完善，最终研究出不同煤层、不同厚度、不同围岩条件下的弹性波速度分析参数。
2.2 技术路线
以KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为研究试验仪器，将十一矿丁、戊、己三组煤掘进工作面作为试验场进行研究。分别设定同煤层不同厚度条件下、同煤层不同顶底板岩性条件下速度分析参数的研究与试验，从而找出不同煤层、不同厚度、不同围岩条件下的速度分析参数，再通过多个开掘工作面的应用进一步完善。①分别在垂深超过600m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层厚度稳定地段进行试验。②分别在垂深超过600m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层厚度不稳定地段进行试验。③分别在垂深超过600m的己、戊、丁组煤层的现有掘进工作面煤层顶、底板变化较大地段进行试验。④根据上述3个步骤研究试验所得出的弹性波在煤层中速度分析参数值，在垂深超过600m的现有开掘工作面进行应用实验，以验证弹性波在煤层中的速度分析参数设定值是否准确可靠[1-3]。
通过上述方案实施，力求找出多煤层构造复杂区域开采活动中构造探测与地质条件的有机结合点，从而解决矿井构造探测与预报准确率偏低的问题，使构造探测预报准确率由以往不足45%提高到75%以上，继而为巷道施工方案优化、施工安全及解放资源量提供技术保障。其技术路线如图1所示。
3 弹性波速度分析参数研究与设定
3.1 不同的煤(岩)层
弹性波在不同煤层中因煤层密度、煤层结构、煤层成分不同而不同。采用矿井地质探测仪分别对丁5-6煤层、戊9-10煤层和己16-17煤层进行了探测，通过实际揭露验证和对比分析，找出弹性波速度分析参数设定的影响因素。
(1)结构。弹性波速度受煤岩层结构所控制，煤(岩)层颗粒的接触关系差通常导致弹性波速度低，而煤(岩)层胶结程度好，弹性波速度明显增强。因为颗粒之间的接触区域大，所以大颗粒的砂层比细颗粒砂层呈现更高的弹性波速度；分选性差的煤层呈现较高的弹性波速度，因为分选性差降低了孔隙度，未固结砂层的分选性和颗粒尺寸会影响未固结砂层的Vp/Vs和泊松比；砂粒的圆度等也会影响弹性波速度和Vp/Vs：圆滑的颗粒导致更好的颗粒接触关系，从而具有更高的速度。
(2)成分。弹性波在煤层中的传播速度因煤层的成分不同而不同。煤层中的成分主要有镜质组、均质镜质体、惰质组及丝质体等形成多组合类型，这些成分的存在直接影响着弹性波传播速度。
(3)密度。弹性波的速度随着煤岩层的密度增加而增加。煤岩层密度小，其分子间或颗粒间存在的空隙相对较大，在弹性波传递的过程中，由于受到空隙界面的反弹或影响，导致速度分析参数减小，从而导致弹性波在整个煤岩层中传播速度降低[4]。综上影响因素，确定在不同煤(岩)层中适于该矿的矿井地质探测仪速度分析参数：砂岩为2.8～3.0m/ms；砂质泥岩为2.5～2.8m/ms；泥岩为2.3～2.5m/ms；丁5-6煤层为1.2～1.3m/ms；戊9-10煤层为1.4m/ms；己16-17煤层为1.0～1.2m/ms。
3.2 不同的围岩情况
在同一煤层不同围岩情况下探测时，其顶底板岩性变化将会扰乱弹性波的接收，从而使探测结果不准确。如在戊9-10煤层中探测时，顶底板和夹矸的岩性变化直接导致弹性波速度分析参数的设定。戊9-10-16150运输巷煤层顶板为泥岩或粉砂岩，煤层底板为泥岩或细砂岩。当煤层顶板和底板为砂岩、弹性波速度分析参数选用1.4m/ms时，实际揭露的断层或煤层赋存状态变化在探测异常区内；而当煤层顶板和底板为泥岩、弹性波速度分析参数也选用1.4m/ms时，实际揭露的断层或煤层赋存状态变化和探测异常区有偏差。综合分析，在同一煤层中，顶底板为砂岩时比顶底板为泥岩时的弹性波速度快(表1)。
3.3 不同的赋存状态
在同一煤层中探测时，煤层越厚，其弹性波的传播速度越小；岩层越厚，其弹性波的传播速度相对变大。所以，煤(岩)层的赋存状态变化直接影响弹性波速度分析参数的设定。如在己16-17-22102回风巷探测时，当煤层厚度大于4.0m、弹性波速度分析参数选用1.2m/ms时，断层或异常区在探测范围之内；当煤层小于4.0m时，弹性波速度分析参数选用1.0m/ms为宜(表2)。
3.4 煤、岩巷波形及速度对比情况
矿井巷道地质探测仪能探测预报多种矿井地质问题，特别是对波阻抗差异较大的地质构造，其准确性较好。利用该仪器对地质构造进行超前探测，可为技术决策提供参考依据，避免因技术上的失误而造成损失。但由于不同的岩层或煤层的波阻抗差异也不相同，应先获得探测现场不同介质的速度参数，这样在距离确定时准确性更高，指导性更强。针对此情况，十一矿对矿区内的岩层和煤层进行了多次探测，通过MSP数据处理软件的“带通滤波参数调整、振幅调整”的处理参数确定、域滤波线性叠加，再利用F—K方法、通过宽速度域、窄频带进行二次反射波提取，调整“反射波提取”参数中“域区间”等对波形及速度进行对比、分析和研究，找出了地震波波形的一定规律。弹性波在岩层、煤层中的波形如图2、图3所示。
根据图2与图3资料分析，得出丁5-6煤层波形速度较小，戊9-10煤层波形速度小，己16-17煤层波形速度最小，砂岩波形速度最大，砂质泥岩波形速度较大，泥岩的波形速度大。
4 应用情况及效果
平煤股份十一矿使用矿井巷道地质探测仪，在丁5-6-26071工作面运输巷和切眼、戊二胶带下山等6个工作面完成物探工程总量5775m，探测出地质异常体77个，实际揭露断层数20条、煤层赋存状态变化31次，准确率为77.8%。为及时、准确地提供地质资料，有效指导矿井安全生产，该矿针对每个工作面建立了相对地质探测数据库，为矿井的生产提供了地质依据，为该矿近2年在防突、防瓦斯、顶板控制及防治水方面提供了可靠的技术支撑。
5 结语
在使用矿井巷道地质探测仪过程中，弹性波的速度分析参数设定直接影响到探测结果，而影响弹性波速度分析参数的主要因素是不同的煤层、煤层厚度及煤层围岩等，因此，不同的地质探测仪器在使用过程中，结合该煤田、该矿区的实际地质条件，找出探测仪器与煤层地质条件的有机结合点，保证探测预报的准确性。通过探测，提高了矿井构造的预测能力，有效提高了矿产资源的利用率和采出率，使矿井地质探测工作做到智能化、简单化，也有效指导了煤矿采、掘及其他方面的安全生产。
参考文献：
[1]李景涛.瑞利波探测仪在矿山中的应用[J].现代矿业,2009.
[2]王维维,陈维新,康宇.大安山煤矿井下瑞利波超前探测技术[J].煤田地质与勘探,2011.
[3]刘伟锋,徐涛.东荣三矿小地质构造瑞利波探测技术[J].山东煤炭科技,2009.
[4]赵文曙,邵佩林,刘海东,等.基于矿井地震波法的地质超前预报技术研究应用[J].中国矿业,2012.
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