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震波单点超前探测技术在煤矿井下石门揭煤中的应用

1 前言
    煤矿井下石门揭煤工作面是突出矿井中最容易发生突出、突出几率较高、突出强度较大的位置，在石门揭煤过程中，稍有疏忽就可能引发煤与瓦斯突出事故，甚至是恶性事故，特别在新水平、新采区开拓期间的石门揭煤过程中，由于尚没有或缺乏井下实测数据，也就没有更准确的开拓后区域预测资料，所以仍然需要根据开拓前区域预测结果来确定石门揭煤工作面需要采取怎样的防突技术方案等。但事实上，根据预测结果有很多石门揭煤由于只采取了控制范围很小的局部防突措施，当出现即使是不大的冒顶、片帮等现象后也可能导致严重突出煤体距离工作面太近或直接暴露到工作面空间，进而引起突出的发生。因此，对于在突出危险区先期揭煤的石门，也应实施控制范围更大的区域防突措施，同时，采取相应技术准确控制煤层层位，掌握煤层的赋存情况、地质构造情况和瓦斯情况等。地震波单点超前探测技术根据地震波对煤矿井下不同煤岩介质具有不同的振幅、相位等特征，能够探明一定范围内的煤层赋存位置及赋存厚度等信息，为石门揭煤工作提供了更多的技术依据，在有效防治煤与瓦斯突出方面起到了显著地作用。龙煤鹤岗峻德煤矿为黑龙江地区典型的突出矿井，该矿长期以来应用震波单点探测技术对石门揭煤工作面进行超前探测工作，通过探测能够对揭煤位置及厚度进行准确预测预报，为防止煤与瓦斯突出提供了可靠的技术依据。该矿三水平北一皮带前石门大巷施工至N9点前34米时，根据地质资料巷道显示，巷道前方预计揭露煤层17，预计揭煤位置在N9点前134m，预计揭煤厚度10.27～13.75m，为确保做好巷道的施工设计与防突工作，急需通过震波单点超前探测技术确定迎头前方预计揭露的17层煤的位置及揭煤厚度。
2 震波单点超前探测技术简介
2.1 技术原理
    反射波法是利用人工激发的地震波，利用专业的仪器设备和一定的工作装置接收地震波，根据地震波在地下介质中传播时遇到波阻抗差异界面时会产生反射波，通过分析反射波的规律特征来解决相应的地质问题的一种物探技术方法。
    震波单点法探测法是反射地震波法的一种，是利用地震波在波阻抗不同的介质界面会产生反射波的原理来探测介质的速度和厚度的。其采用单个检波器来接收单次锤击所反射回来的声波，并对此数据进行解析得到相应的结果，因此称之为单点探测，见示意图1。单点探测要求检波器和震源尽量的靠近，但不要接触震源。单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层距离或厚度的。由反射波时距曲线方程：4h²+x²=v²t²，令x=0，则h=vt/2，单道观测系统相应波路图见图2。公式中时间t可由波形记录上判读，波速须是一已知数，其取值准确与否，直接影响到目的层距离或厚度探测的精度。一般来说，在一定的探测区域内，岩、煤层的垂向波速都较稳定，探测时可作波速调查，弄清各层波速分布状况，为探测解单点探测接收的反射波是震源在界面的垂点反射回来的反射波，所以解析的距离总是等于或者小于实际位置。探测目的层与探测方向的夹角大于等于60°，可以满足误差要求。

图1 迎头超前单点探测示意图

图2 单道观测系统相应波路图

2.2 技术特点
    震波单点法探测，以自激自收方式进行数据采集和处理，其现场布置简单、灵活，基本不受测试环境限制，是一种抗干扰能力强、探测精度高、适用性好、工作方法简单的测试技术。该系统主要有以下特点：
    ①整套仪器轻便，两到三人使用即可高效地完成现场测试任务，工作方法简单有效。
    ②可进行现场实时解释，便于工作效率提高。也可将数据记录在机器内，通过丰富的后台处理手段，改善信噪比。
    ③记录精确度、灵敏度较高，动态范围大，抗干扰能力强，失真度小。它可适用于狭小工作范围或空间受限的探测环境，对煤矿井下巷道前方断层及其异常探测、顶煤厚度探测以及工作面内小构造探查等具有较为独特的优势，能够充分发挥其技术特点。
2.3 技术装备

图3 技术装备系统组成图

本次峻德煤矿三水平北一皮带前石门大巷前方揭煤超前探测工作采用的技术装备为福州华虹智能科技服份有限公司研发并生产的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪系统，该系统基于矿井震波运动学和动力学特征理论研究基础上，通过数学建模、反演算法、图像处理、地质解析等专项技术开发形成井下地震的各种探测技术方法，用于解决井下采掘工作面前方及周围未探明的地质构造和影响范围及巷道余煤(岩)厚度等预测预报的一款物探仪器。其采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据信号的高保真采集及高分辨信号解析处理。2008年，本产品被列入福建省科技计划重点项目和福建省促进项目成果转化扶持项目，并获得国家实用新型专利证书，专利号为：ZL200720007483.3，见图3KDZ1114-6A30矿井地质探测仪系统示意图。
2.4 技术施工布置
本次探测采用迎头震波单点超前探测系统，应用锤击震源激发地震波，并用2道检波器进行接收反射信号，迎头位置共布置2个物理探测点，探测点间距1m，每个探测点分别用增益24DB、36DB、48DB，每个增益采集3组数据，共采集36道地震波。具体施工示意图见4。

图4 单道观测系统相应波路图

3 探测成果及验证
3.1 探测成果
地震波在常见的沉积岩中传播时，根据岩层介质的不同地震波速也有所不同，其中在页岩中为1.3～4.0km/s，在砂岩中为2.4～4.2km/s，在煤层中为0.8～1.5km/s，但因沉积环境等地质因素不同，地震波速在不同区域同种岩层介质中的速度也存在差异，峻德矿根据近几年来大量应用、基础资料的收集整理以及反复的分析验证后，总结出适用于自己矿实际情况的主要震波传播速度，其中包括震波在中细砂岩中的传播速度为3km/s，震波在煤层中的传播速度为1.55km/s。

图5 物理点1#位置的单点超前探测波形结果图

图6 物理点2#位置的单点超前探测波形结果图

    通过震波解析系统分析得到了单点超前探测波形结果图，如图5物理点1#位置的单点超前探测波形结果图与图6物理点2#位置的单点超前探测波形结果图，图中横坐标代表地震波传播的往返时间，单位为ms；纵坐标代表地震波道数。根据波形结果图可以看出，两个探测位置的探测结果基本一致，在波形24m位置处(即横坐标16ms位置处)处开始能量变弱、频率变低，说明在该位置进入软岩段，且持续距离30m左右，结合地质资料与生产实际推断，在当日探测位置(N9点前34米)前方24m处开始揭17层煤，揭煤厚度达30m左右。
3.2 探测成果验证
    根据实际揭露验证，在探测位置(N9点前34米)前方25m处揭露17层煤，揭煤厚度在30.5m左右，煤质为1/3JM，呈现暗黑色，煤层倾角6°。
    详见图6地质推断、震波探测、实际揭露综合平面对比图，图7地质推断、震波探测、实际揭露综合剖面对比图，图8地质素描与震波探测综合对比图。

图6 地质推断、震波探测、实际揭露综合平面对比图

图7 地质推断、震波探测、实际揭露综合剖面对比图

4 结论
1)震波单点超前探测技术在峻德煤矿三水平北一皮带前石门大巷前方揭煤超前探测中揭煤位置与实际揭露位置仅相差1m，探测煤厚与揭露煤厚相差仅仅0.5m，满足探测精度需求，能够准确的探测石门揭煤位置及厚度，为煤矿做好巷道施工设计与防突工作等提供技术保障。
2)地震波波速在不同地区同种岩层介质中的速度也存在差异，因此在不同地区或者煤矿井下应该进行大量的应用实验、基础资料的收集整理以及反复的分析验证，总结出适用于本地区或煤矿井下实际情况的地震波传播速度，从而确保分析结果的更加准确。