基于槽波和CT成像的礦區煤系地質復雜工作面隱伏構造精細化探測

張飛飛

(山西天地王坡煤業有限公司,山西 晉城 048000)

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

煤礦的不同構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構建勘查技術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,無法達到企業所要求的勘查精度,而槽波雷達探測技術剛好可以克服這些不足,目前該方法是勘查煤礦構造精度較高的方法。

1 槽波雷達探測技術

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底板,在此期間頂底板會出現全反射的現象,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,分析煤層中激發點以及接收點的槽波在不同地質構造中,振幅以及能量的波動情況,根據以上結果即可勘查出煤層工作層面的小斷層以及地質發生的異常情況,槽波雷達探測技術依據波形的激發以及接收方式,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為煤層介質中的波速,V2為頂底板介質中的波速。

透射槽波探測實質上是將煤層激發點放置在回風巷,檢測波形儀器放置在軌道巷中[14],將透射槽波內的運動學以及動力學參數作為基礎,識別出煤層中震源以及不連續和影響煤礦安全的異常構造。

2 槽波雷達探測技術在礦區煤系地質構造勘查應用

槽波雷達探測技術就是對探測得到的資料進行處理,得到礦場地質斷層等相關構造[15]。這里的槽波雷達探測技術泛指透射槽波平數據處理方法,該方法基于槽波的特征參數對勘測出礦場地質構造,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 礦場地質數據采集

依據當地的地質條件,對測試區域進行震波試驗,生成適合該地質的數據采集系統參數,參數包括單井激發井深、炸藥的藥量以及檢波器等。

2.2 數據處理

數據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據中的群速度曲線,在數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鍵的是選取合適的頻率,假設已知選取的槽波優勢頻率為fp,則群速度的表達式為:

式中,t為以往透射槽波數據中的某個時刻;x為炮檢距。

(2)CT成像。分析CT結果,并獲取激發點的區域位置以及波速值[19],根據波速值探測出目標煤層的穩定性以及實際厚度。

2.3 資料處理

通過數據處理結果,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、工業干擾以及面波干擾等。根據礦區地質資料的自身特點,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勘探,保證勘測效果。

2.4 資料解釋

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

(1)地震反射波特征。由于煤礦區域實際施工面積較大,為了保證工作人員安全,在實際勘查過程中,地質勘查往往會大于煤礦區域的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構造,根據時間剖面,將帶有煤系的區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、內部和低界反射波組T0二疊系內部煤層反射波組T2以及奧陶系頂界面[20]反射波組Tg。

(2)反射波地質層位的確定。利用歷史煤礦地質資料和現有的地質情況,分析定性反射波地質層位。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。根據勘查區內的地質鉆孔資料劃分為4大反射波組,并依據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)地質構造解釋。在時間剖面上解釋斷點,并根據地質規律原理組合平面圖中的斷點生成斷層,以此得出礦區煤系地質構造勘查結果。

3 應用結果與分析

為了驗證槽波雷達探測技術在礦區煤系地質構造勘查中的應用效果,測試結果如下。

3.1 應用環境

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

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

(2)由于煤礦作業環境復雜且微震過大,而勘查目標斷層中產狀以及破碎帶與煤層接收點之間的長度均不相同,因此斷層每個結構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,且可勘查的動態范圍最廣,具有較高的分辨能力,而應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安全,選用的儀器均已作防爆處理。

3.2 勘查結果分析

利用滿足上述要求的槽波雷達探測儀對某煤礦地質構造進行勘探,現已知應用對象的地質實際構造,見表1。

利用槽波雷達探測技術對地質結構進行勘察,共勘查出除煤層外的4種地質結構,地質勘測結果如圖5所示。

表1 礦區煤系地質實際構造Tab.1 Actual geological structure of coal measures in the mining area

圖5 槽波雷達探測技術的地質勘查結果Fig.5 Geological exploration results of slot wave radar detection technology

對比勘測結果與實際地質結構可知,槽波雷達探測技術得出的地質結構與實際地質結構完全一致,說明槽波雷達探測技術對地質結構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為探測區域,利用所提方法對其進行勘察,并根據煤厚與槽波雷達探測群速度的相關關系,即可將槽波速度層析成像圖轉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育情況,選用110～165 Hz的帶通濾波結果進行槽波群速度的層析成像。并根據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關系,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頻段槽波在薄煤區和厚煤區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。

綜合上述結果可知,基于槽波和CT成像的礦區煤系地質復雜工作面隱伏構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勘查地質構造時,可有效降低外界干擾,提高整體勘查精度,從而使得勘測結果與實際結果基本吻合。

4 結語

為了確保煤礦作業安全,研究了槽波雷達探測技術在礦區煤系地質構造勘查中的應用。該技術能夠實現地質構造勘查的細致分析,完成精準的礦區煤系地質構造勘查,解決了地質構造勘查精度低的問題,在一定程度上保證了煤礦作業的安全。