基于槽波和CT成像的礦區(qū)煤系地質(zhì)復(fù)雜工作面隱伏構(gòu)造精細化探測

張飛飛

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

由于煤礦地質(zhì)的特殊性,容易發(fā)生坍塌等事故[1],因此煤礦生產(chǎn)的安全性[2]受到了廣泛關(guān)注。在不斷提高煤礦產(chǎn)量的同時,也進一步提高了煤礦的機械化能力[3],與此同時也出現(xiàn)了大量生產(chǎn)安全的問題[4],大部分問題是由工作面內(nèi)部小構(gòu)造不穩(wěn)定導(dǎo)致的[5]。國外研究在分析礦床及其鄰區(qū)的成礦地質(zhì)背景和控礦構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上,總結(jié)了該類型金礦床的控礦構(gòu)造特點和成礦規(guī)律,并對其熱液成因類型進行了初步探討[6]。根據(jù)國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致煤礦不能正常開采均是因為不清楚煤層工作面的小構(gòu)造[7],這些小構(gòu)造的落差在5 m左右,不易被人察覺。煤礦不同位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不相同,所以煤礦地質(zhì)的復(fù)雜性極高,這也為地質(zhì)勘探加大了難度。為保證煤礦安全生產(chǎn)以及工程進度,需在煤礦開采期間進行地質(zhì)勘探。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),槽波雷達探測技術(shù)具有分辨率極高以及探測距離深的優(yōu)點[8],可針對煤層的不連續(xù)性進行探查,探測出其中的斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

煤礦的不同構(gòu)造會加大煤礦開采的難度,同時也給工作面的回采等帶來較大影響。目前,對煤礦工作面的地質(zhì)構(gòu)建勘查技術(shù)分為鉆探以及礦井物探[9-10],這2種勘查方法均會受到儀器磁場的影響,無法達到企業(yè)所要求的勘查精度,而槽波雷達探測技術(shù)剛好可以克服這些不足,目前該方法是勘查煤礦構(gòu)造精度較高的方法。

1 槽波雷達探測技術(shù)

煤礦的煤層和周圍的巖石界面均是較好的波阻抗界面,當煤礦在作業(yè)過程中煤層會因震動等原因,震波會向煤礦四周傳播,并通過不同的角度射入到頂?shù)装?在此期間頂?shù)装鍟霈F(xiàn)全反射的現(xiàn)象,全反射之間會相互牽扯和疊加,最終震波被卷進在煤層當中,構(gòu)成順著巖層傳播的高頻低速度的槽波[11]。

利用槽波雷達探測技術(shù),分析煤層中激發(fā)點以及接收點的槽波在不同地質(zhì)構(gòu)造中,振幅以及能量的波動情況,根據(jù)以上結(jié)果即可勘查出煤層工作層面的小斷層以及地質(zhì)發(fā)生的異常情況,槽波雷達探測技術(shù)依據(jù)波形的激發(fā)以及接收方式,將波形分為投射槽波以及反射槽波探測2種[12-13],其中槽波勘探以及槽波形成如圖1、圖2所示。

圖1 投射槽波勘探示意Fig.1 Schematic diagram of projected trough wave exploration

圖2 槽波形成示意Fig.2 Schematic diagram of groove wave formation

圖2中,α為槽波入射波的入射角度,β為槽波透射波的透射角度,χ為全射角的臨界角度,V1為煤層介質(zhì)中的波速,V2為頂?shù)装褰橘|(zhì)中的波速。

透射槽波探測實質(zhì)上是將煤層激發(fā)點放置在回風(fēng)巷,檢測波形儀器放置在軌道巷中[14],將透射槽波內(nèi)的運動學(xué)以及動力學(xué)參數(shù)作為基礎(chǔ),識別出煤層中震源以及不連續(xù)和影響煤礦安全的異常構(gòu)造。

2 槽波雷達探測技術(shù)在礦區(qū)煤系地質(zhì)構(gòu)造勘查應(yīng)用

槽波雷達探測技術(shù)就是對探測得到的資料進行處理,得到礦場地質(zhì)斷層等相關(guān)構(gòu)造[15]。這里的槽波雷達探測技術(shù)泛指透射槽波平數(shù)據(jù)處理方法,該方法基于槽波的特征參數(shù)對勘測出礦場地質(zhì)構(gòu)造,資料處理流程如圖3所示。

圖3 資料處理流程Fig.3 Data processing flow chart

2.1 礦場地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

依據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)條件,對測試區(qū)域進行震波試驗,生成適合該地質(zhì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù),參數(shù)包括單井激發(fā)井深、炸藥的藥量以及檢波器等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理中包含頻散分析[16]以及CT成像[17]等,其中只有頻散分析以及CT成像是關(guān)鍵處理步驟,因此只需分析上述2種處理方式。

(1)頻散分析。頻散分析泛指透射槽波的歷史數(shù)據(jù)中的群速度曲線,在數(shù)值計算方法的幫助下,計算出槽波的群速度[18],槽波群速度的計算最關(guān)鍵的是選取合適的頻率,假設(shè)已知選取的槽波優(yōu)勢頻率為fp,則群速度的表達式為:

式中,t為以往透射槽波數(shù)據(jù)中的某個時刻;x為炮檢距。

(2)CT成像。分析CT結(jié)果,并獲取激發(fā)點的區(qū)域位置以及波速值[19],根據(jù)波速值探測出目標煤層的穩(wěn)定性以及實際厚度。

2.3 資料處理

通過數(shù)據(jù)處理結(jié)果,得知目標對象有效槽波的實際頻率以及主要干擾類別,其中包括隨機干擾、工業(yè)干擾以及面波干擾等。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料的自身特點,選取資料研究的入手點,通常有從靜校正、速度分析以及疊加剩余靜校正等方面,通過這些方法完善礦場地質(zhì)勘探,保證勘測效果。

2.4 資料解釋

資料解釋是將地質(zhì)勘查過程中,地層的實際情況以及較深區(qū)域的地震測線進行結(jié)合,得出較為明顯的地質(zhì)層位綜合解釋。

(1)地震反射波特征。由于煤礦區(qū)域?qū)嶋H施工面積較大,為了保證工作人員安全,在實際勘查過程中,地質(zhì)勘查往往會大于煤礦區(qū)域的20%。在勘測過程中,不同地段反映的槽波特征也不相同。為了更加清楚明了地勘查出地質(zhì)構(gòu)造,根據(jù)時間剖面,將帶有煤系的區(qū)域按照從上到下的順序分成4組波形,分別為低界反射波組TE波、內(nèi)部和低界反射波組T0二疊系內(nèi)部煤層反射波組T2以及奧陶系頂界面[20]反射波組Tg。

(2)反射波地質(zhì)層位的確定。利用歷史煤礦地質(zhì)資料和現(xiàn)有的地質(zhì)情況,分析定性反射波地質(zhì)層位。除了以上方法,還可以整合全部鉆孔資料,以形成完整的勘查記錄,從而直觀地觀測出新生界底部以及帶有煤層位置的反射波。

(3)槽波對比。根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)的地質(zhì)鉆孔資料劃分為4大反射波組,并依據(jù)反射波的強度以及相位等特征,對波形進行對比跟蹤。在時間剖面的基礎(chǔ)上,得出每種波形特征在反射層的起伏以及錯斷實際情況。

(4)地質(zhì)構(gòu)造解釋。在時間剖面上解釋斷點,并根據(jù)地質(zhì)規(guī)律原理組合平面圖中的斷點生成斷層,以此得出礦區(qū)煤系地質(zhì)構(gòu)造勘查結(jié)果。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

為了驗證槽波雷達探測技術(shù)在礦區(qū)煤系地質(zhì)構(gòu)造勘查中的應(yīng)用效果,測試結(jié)果如下。

3.1 應(yīng)用環(huán)境

為了研究槽波雷達探測技術(shù)的實際應(yīng)用效果,選取某煤礦作為應(yīng)用對象。槽波測試儀器選用的模擬磁帶為礦井地震儀,設(shè)備應(yīng)用如圖4所示。

(1)正常情況下,煤礦勘查區(qū)域的頻率均較高。其中地面勘查有效波頻率通常為40～80 Hz,而槽波在100～300 Hz。應(yīng)用中要求儀器的頻率處于高頻率,因此設(shè)定儀器工作頻率為80～430 Hz。

(2)由于煤礦作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且微震過大,而勘查目標斷層中產(chǎn)狀以及破碎帶與煤層接收點之間的長度均不相同,因此斷層每個結(jié)構(gòu)的反射波能量也不盡相同,所以選用的勘查儀器必須保證其信噪比最高,且可勘查的動態(tài)范圍最廣,具有較高的分辨能力,而應(yīng)用中選用的儀器正符合以上要求。

(3)為了確保工作人員在煤礦井下的作業(yè)安全,選用的儀器均已作防爆處理。

3.2 勘查結(jié)果分析

利用滿足上述要求的槽波雷達探測儀對某煤礦地質(zhì)構(gòu)造進行勘探,現(xiàn)已知應(yīng)用對象的地質(zhì)實際構(gòu)造,見表1。

利用槽波雷達探測技術(shù)對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行勘察,共勘查出除煤層外的4種地質(zhì)結(jié)構(gòu),地質(zhì)勘測結(jié)果如圖5所示。

表1 礦區(qū)煤系地質(zhì)實際構(gòu)造Tab.1 Actual geological structure of coal measures in the mining area

圖5 槽波雷達探測技術(shù)的地質(zhì)勘查結(jié)果Fig.5 Geological exploration results of slot wave radar detection technology

對比勘測結(jié)果與實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)可知,槽波雷達探測技術(shù)得出的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)完全一致,說明槽波雷達探測技術(shù)對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘測是真實有效的。

煤礦勘探主要目的是勘查出煤礦斷層的實際位置、深度和寬度,煤礦斷層在不同深度中均可能存在,單每層煤礦深度均不相同。以埋深11～13 m為探測區(qū)域,利用所提方法對其進行勘察,并根據(jù)煤厚與槽波雷達探測群速度的相關(guān)關(guān)系,即可將槽波速度層析成像圖轉(zhuǎn)換為工作面煤厚分布情況,如圖6所示。分析圖6可知,工作面煤厚由南東向北西方向煤層厚度逐漸變大,靠近終采線位置煤厚8.0～9.0 m,向開切眼方向煤層厚度逐漸減小,在開切眼附近煤層厚度為1.6～2.0 m。

為了進一步證明槽波雷達探測技術(shù)的勘察效果好,綜合考慮煤層厚度變化引起的槽波速度差異以及各道槽波的發(fā)育情況,選用110～165 Hz的帶通濾波結(jié)果進行槽波群速度的層析成像。并根據(jù)探煤孔以及回采巷道、開切眼掘進過程中展示的煤層厚度信息,擬合出煤層厚度與槽波群速度的相關(guān)關(guān)系,如圖7所示。

圖6 槽波速度反演工作面煤層厚度Fig.6 Inversion of coal seam thickness in working face using slot wave velocity

圖7 煤層厚度與群速度擬合曲線Fig.7 Fitting curves between coal seam thickness and group velocity

由圖7可以看出,在110～165 Hz頻段槽波在薄煤區(qū)和厚煤區(qū)具有明顯的群速度差異,能夠較好地用于整個工作面煤層厚度的反演。但是在煤層厚度為4～6 m時,該頻段群速度差異較小,對煤層厚度的分辨率有所降低。

綜合上述結(jié)果可知,基于槽波和CT成像的礦區(qū)煤系地質(zhì)復(fù)雜工作面隱伏構(gòu)造精細化探測方法具有較好的探測效果。這是因為槽波雷達探測技術(shù)勘查地質(zhì)構(gòu)造時,可有效降低外界干擾,提高整體勘查精度,從而使得勘測結(jié)果與實際結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)語

為了確保煤礦作業(yè)安全,研究了槽波雷達探測技術(shù)在礦區(qū)煤系地質(zhì)構(gòu)造勘查中的應(yīng)用。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造勘查的細致分析,完成精準的礦區(qū)煤系地質(zhì)構(gòu)造勘查,解決了地質(zhì)構(gòu)造勘查精度低的問題,在一定程度上保證了煤礦作業(yè)的安全。