礦井構造與瓦斯的震波超前探測技術應用分析

（1. 安徽理工大學資源與環境工程係，安徽 淮南 232001；2.中國煤炭學會礦井地質專業委員會，安徽 淮南 232001）

摘要：采用震波探測技術，利用專門的智能礦井資源探測儀，通過震波的時域參數、幅頻域特征等方法，實施自激自收反射技術、麵波技術、到時層析技術，可以預測前方斷層位置、煤體的內部變異以及瓦斯突出的可能性。在巷道獨頭探測煤層和小斷層及工作麵內的構造探測工程實例中，進一步說明了震波探測方法對礦井瓦斯及小構造探測有較好的應用效果。

關鍵詞：震波探測；煤層；瓦斯；構造

1、引言

隨著采煤機械化程度的不斷提高，對礦井地質構造發育程度的認知必須得到相應提高，特別是對巷道掘進頭及采煤工作麵的小構造進行準確預報、預測，以保證煤礦采掘工作麵的高產高效生產，這是目前礦井地質工作的首要任務。同時構造因素往往與礦井瓦斯相關聯，構造複雜的地方也是瓦斯易於突出的地方，構造是瓦斯溢出的通道，因此查清采掘麵前方小構造，對異常區域提前采取措施，直接關係到“一通三防”工作的成效。自90年代初以來，我們一直致力於礦井瓦斯與小構造探測方法技術的試驗研究，並在KDY-1型礦井地震儀基礎上專門開發了新一代的智能礦井資源探測儀，其單、雙點及折射、反射探測方式，應用地震勘探中反射、折射及瑞雷波勘探原理對目的層界麵及厚度進行判定與計算，並結合已知地質特征進行構造解釋，在實際探測中取得了較好的應用效果。

2、震波探測條件03manbetx

2.1煤岩層結構及地震地質條件

一般來說，煤層震波速度範圍在Vc=1.5～2 .0m /ms，煤層密度ρc = 1.3kg /cm³左右；圍岩頂底板速度範圍Vr=3.0～4 .5m /ms，圍岩密度ρr= 2.4 kg /cm³左右。按照波阻抗Z=V·ρ原理，Zc=Vc·ρc，Zr= Vr·ρr，則Dz=Zr～Zc,按照波動理論隻要Dz≠0，則在該界麵必將產生波的反射或折射。顯然對於煤層與其圍岩的界麵Dz=4.6～8.85之間，因此，該界麵的反射係數R=Dz/（Zr+Zc）=0.34～0.7，一般R=0.1就被稱為強反射界麵。這樣煤層速度V 、密度ρ、構造變異、軟硬特征等的變化都會產生波阻抗的變化，因此，可以通過震波法檢測煤層的小構造特征、煤層的軟硬變化以及內部的應力變化等相關特征，進一步03manbetx 其瓦斯地質特征狀況^[1，2]。

2.2構造與瓦斯湧出相關性

瓦斯是一種賦存在儲氣構造中的煤層氣，它可以通過運移的方式由各種通道進行釋放。國內外地質資料以及我國高瓦斯礦井實際開采的經驗表明，發生煤與瓦斯湧出的位置，多與地質構造破壞有直接關係。從位置上講，或發生在小斷層位置處，或發生在小背斜褶曲部位，或發生在各種裂隙帶^[3]；從地域上講，多數突出發生在巷道獨頭，采掘工作麵，但也有發生在采煤工作麵。總的來說，瓦斯湧出受構造因素的影響程度較大。因此應用震波方法探測和查明采掘麵及采煤麵小構造，並結合構造力學性質、地質資料綜合03manbetx 預測煤層與瓦斯突出可能性，是一種切實可行的工作方法。

3、采掘巷道超前探測

石門巷道揭煤前，前方煤層精確距離和煤層內部動力現象一直是礦井開拓及生產調查的重要內容，由於各種介質本身存在物理力學性質差異，因此可以通過震波法進行相關內容探測，確定前方煤層的具體位置並進行煤和瓦斯湧出危險性預報、預測。

3.1石門前方煤層及構造距離探測

石門前方煤層距離的探測可以采用煤層距離的動態自動修正法進行，該方法是在迎頭當前位置進行單點、雙點探測，讀取前方煤層的相位和幅頻特征，確定煤層距離和圍岩速度信息。在迎頭進入下一位置時，再進行第二次檢測，得到新的相位、幅頻特征值。通過兩次以上相關特征值的對比、判別，計算出波場速度、圍岩品質、地層衰減吸收等參數的變異特征，從而確定並解釋煤層的前方距離，誤差精度控製可達1%左右。

3.2超前揭煤鑽孔探測

在現有的超前鑽孔中可以通過孔內震波檢層技術動態確定煤岩體的動力學特征，采用滑塊式貼壁速度傳感器進行震波檢層，對煤層圍岩的強度進行動力學法原位檢測，確定鑽孔揭露圍岩的縱、橫波速度、動彈模、強度、堅固性等。同時可以在該孔內進行煤層內部動力現象監測。

3.3煤層順層巷道探測

對於順層煤巷，前方構造的出現是一個明顯的波阻抗變化麵、煤層瓦斯應力造成煤體“密度”變化也是一個震波反射界麵，因此在順層煤巷中可以直接采用單點探測法進行超前探測。由於煤層是一個低阻抗體，在利用常規震波(縱、橫波)進行超前探測的同時，還可以進行煤層波(槽波)的發射勘探。

在順層煤巷反射探測中，對構造位置的定位，可以不按照波的反射原理，而采用波的繞射原理進行確定，直接解釋出前方距離。因為從煤層內部來看，構造是以點、線的特征出現，而不是以麵的特征出現，繞射特征是其固有的性質。

4、工作麵內小構造探測

工作麵內構造或前方隱伏地質構造對煤厚變化，特別是側向變化^[4]，以及瓦斯的突出有不同程度的影響。當構造作用造成煤層厚度變薄或使煤層傾角變化時，在工作麵推進過程中常常需要破頂或破底；構造作用的影響亦造成煤層頂板破碎或撇頂煤而引起冒落，使頂板管理困難；在綜采麵內若出現 3m 左右的未知斷層，就有可能迫使采麵搬家。因此為了采煤工作麵安全高效生產的順利進行，利用震波探測技術探測構造與異常可為工作麵的安全順利施工提供技術參數與保障。往往在綜采麵布置時，必須查明采麵內落差為2～3m的小斷層。

圖1 潘一礦11521麵機巷切眼超前探結果

具體來說，通過雙巷對整個工作麵進行震波層析或透射可取得較好的構造及異常區帶探測效果。有時也可利用共偏移反射波勘探、槽波或瑞雷麵波勘探技術沿巷道兩幫開展工作，向麵內或前方探查構造及異常地帶。一般來說，震波層析解析結果更詳細，可對麵內高、低應力異常、瓦斯異常區作出預測。瓦斯通常富集在構造引起的變化區域，因此高應力區、煤層增厚區都可進一步解析為瓦斯富集區。

5、工程實例

5.1采掘巷道前方探查

受到巷道場地條件所限，對此前方地質因素的探查單、雙點探測是一種方便有效的方式，可取得較為理想的效果。單點探測即反射探測中的自激自收方式，雙點探測為瞬態瑞雷波探測方法^[5]。圖1為潘

圖2 新集一礦揭煤距離探測波形及結果

一礦11521工作麵機巷掘進過程中的超前探測時域波形及 03manbetx 結果，單點探測解析在 13.83m 和 37.45m 處為兩個異常界麵，後經掘進證實 37.8m 處為一斷層界麵。這一提前預測為防瓦斯及防水提供了幫助。圖2為新集一礦進行巷道前方揭煤時雙點探測中B7點的實測麵波波形及解析結果圖。其中（a）為實測波形，（b）為自動解析所得的互相關振幅譜、相位譜及相幹函數圖，（c）為頻散解釋結果的V _R～H曲線。從圖上可以看出在距離H＝ 6m 處有一拐點，因此判斷該點處前方 6m 左右揭煤並請做好瓦斯探放工作。後經停頭打鑽驗證揭煤距離為 6.2m ，與探測結果基本相符。

圖3 單點超前探測解釋圖

淮南孔集礦-530水平東一石門迎頭與13煤推算距離為 7.2m ，煤層真厚為 4.0米 。在此情況下我們利用智能探測儀中單點反射探測在掘進頭進行了前方構造探測與預報工作，傳感器采用TZBS-100速度傳感器， 10磅 錘擊作震源並獲得實測波形數據。在石門圍岩波速取值 2.9m /ms時，分析揭煤距離為 7.18m ，煤層厚度 4.49m ，並預測前方 13.5米 可能會有瓦斯湧出現象，圖3為波形記錄及解析結果。巷道掘進證實測試結果基本準確。

5.2采煤麵內探查

圖4 新集二礦1804采煤麵層析成像結果

新集一礦某采煤麵內有一條隱伏的地麵三維地震確定的走向逆斷層EF30，其最大落差為 8m ，推測斷層在工作麵走向延伸約 350m 。為了進一步查明其發育情況，利用智能儀對其進行了巷幫反射共偏移探測與分析。從時域波形剖麵圖中可見在斷層走向上存在兩個明顯的異常區，這兩個區域的走向連續性較差，且這個異常區延展長度均較短，因此分析其斷層沒有地麵物探結果延伸長。其結果正由工作麵回采進一步驗證。

圖4為新集二礦1804采煤麵層析成像解析結果圖，結合巷道掘進資料對采煤麵內小構造及異常區進行了解釋，其中有4塊區域B3到B6，在這些區域中波速值較低，形跡上呈塊狀分布，反映煤層為增厚特征。C2區域煤層受到斷層影響地震波波速值明顯增高，推斷可為應力集中區。這些區域將直接影響1804采煤麵的回采，因此提前采取了防護措施。實際回采時，C2及B3、B6瓦斯含量均較采麵正常瓦斯值高出許多，並有局部湧出現象。正因為采前不等距離采取了相應保護方式，所以有效地保障了安全生產，致使正常生產免受影響。

6、結語

礦井構造與瓦斯湧出機理具有相對複雜性，必須通過大量實驗，獲得不同地質條件下的預測技術和方法。通過智能礦井探測儀的應用，結合單點、雙點探測以及工作麵內震波層析技術，可有效地進行巷道和采煤麵構造及異常區域探測，但應綜合瓦斯儲存運移的各種構造條件、沉積條件，多方麵分析和解釋，提高解析與預測精度，為煤礦高產高效生產作出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 劉天放.李誌聃.礦井地球物理勘探[M].北京：煤炭工業出版社，1993

[2] 劉盛東.吳軍.張平鬆.地下工程震波技術與應用[J].中國煤田地質，2001(3)

[3] 王連成.高克德.李大洪等.地質雷達探測掘進工作麵前方瓦斯突出構造[J].煤炭科學技術，1997(11)

[4] 韓德馨.彭蘇萍.我國煤礦高產高效礦井地質保障係統研究回顧與發展構想[J].中國煤炭，2002(2)

作者簡介：劉盛東(1962-)，男，安徽潛山人，教授，1984年畢業於淮南礦業學院，從事礦井物探教學與科研工作;中國煤炭學會礦井地質專業委員會秘書長.發表學術論文十多篇。

聯係方式：1) 13705541041；2) email to: sdliu@aust.edu.cn 。(注:文中圖片,可任意放大)

Application and analysis of detection technique

by shock wave on mining structure and gas

Liu Sheng-dong^1、2Zhang Ping-song¹

（1.The Department of Resources and Environmental Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China;2. Mining Geology Speciality Committee of China Coal Academy, Huainan 232001，China.）

Abstract:By shock wave detection technology,using smart mine seismograph, the location of preceding fault,physical changes within coal seam,and the probability of gas outburst can be foretold through the methods of time domain parameter and frequency domain feature, and the techniques of self-excitation and reception, Rayleigh wave and arrival-time CT.

The practical examples of detection to coal seam and small faults in single-head tunnels and structure detection in coal faces, expressed that the methods be more usful for detection of gas and small structure in mine.

Keywords:shock wave detection;coal seam;gas;structure