基于槽波和CT成像的矿区煤系地质复杂工作面隐伏构造精细化探测

张飞飞

(山西天地王坡煤业有限公司,山西 晋城 048000)

由于煤矿地质的特殊性,容易发生坍塌等事故[1],因此煤矿生产的安全性[2]受到了广泛关注。在不断提高煤矿产量的同时,也进一步提高了煤矿的机械化能力[3],与此同时也出现了大量生产安全的问题[4],大部分问题是由工作面内部小构造不稳定导致的[5]。国外研究在分析矿床及其邻区的成矿地质背景和控矿构造特征的基础上,总结了该类型金矿床的控矿构造特点和成矿规律,并对其热液成因类型进行了初步探讨[6]。根据国内外研究发现,导致煤矿不能正常开采均是因为不清楚煤层工作面的小构造[7],这些小构造的落差在5 m左右,不易被人察觉。煤矿不同位置的内部结构也不相同,所以煤矿地质的复杂性极高,这也为地质勘探加大了难度。为保证煤矿安全生产以及工程进度,需在煤矿开采期间进行地质勘探。经研究发现,槽波雷达探测技术具有分辨率极高以及探测距离深的优点[8],可针对煤层的不连续性进行探查,探测出其中的断层等地质结构。

煤矿的不同构造会加大煤矿开采的难度,同时也给工作面的回采等带来较大影响。目前,对煤矿工作面的地质构建勘查技术分为钻探以及矿井物探[9-10],这2种勘查方法均会受到仪器磁场的影响,无法达到企业所要求的勘查精度,而槽波雷达探测技术刚好可以克服这些不足,目前该方法是勘查煤矿构造精度较高的方法。

1 槽波雷达探测技术

煤矿的煤层和周围的岩石界面均是较好的波阻抗界面,当煤矿在作业过程中煤层会因震动等原因,震波会向煤矿四周传播,并通过不同的角度射入到顶底板,在此期间顶底板会出现全反射的现象,全反射之间会相互牵扯和叠加,最终震波被卷进在煤层当中,构成顺着岩层传播的高频低速度的槽波[11]。

利用槽波雷达探测技术,分析煤层中激发点以及接收点的槽波在不同地质构造中,振幅以及能量的波动情况,根据以上结果即可勘查出煤层工作层面的小断层以及地质发生的异常情况,槽波雷达探测技术依据波形的激发以及接收方式,将波形分为投射槽波以及反射槽波探测2种[12-13],其中槽波勘探以及槽波形成如图1、图2所示。

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

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

图2中,α为槽波入射波的入射角度,β为槽波透射波的透射角度,χ为全射角的临界角度,V1为煤层介质中的波速,V2为顶底板介质中的波速。

透射槽波探测实质上是将煤层激发点放置在回风巷,检测波形仪器放置在轨道巷中[14],将透射槽波内的运动学以及动力学参数作为基础,识别出煤层中震源以及不连续和影响煤矿安全的异常构造。

2 槽波雷达探测技术在矿区煤系地质构造勘查应用

槽波雷达探测技术就是对探测得到的资料进行处理,得到矿场地质断层等相关构造[15]。这里的槽波雷达探测技术泛指透射槽波平数据处理方法,该方法基于槽波的特征参数对勘测出矿场地质构造,资料处理流程如图3所示。

图3 资料处理流程Fig.3 Data processing flow chart

2.1 矿场地质数据采集

依据当地的地质条件,对测试区域进行震波试验,生成适合该地质的数据采集系统参数,参数包括单井激发井深、炸药的药量以及检波器等。

2.2 数据处理

数据处理中包含频散分析[16]以及CT成像[17]等,其中只有频散分析以及CT成像是关键处理步骤,因此只需分析上述2种处理方式。

(1)频散分析。频散分析泛指透射槽波的历史数据中的群速度曲线,在数值计算方法的帮助下,计算出槽波的群速度[18],槽波群速度的计算最关键的是选取合适的频率,假设已知选取的槽波优势频率为fp,则群速度的表达式为:

式中,t为以往透射槽波数据中的某个时刻;x为炮检距。

(2)CT成像。分析CT结果,并获取激发点的区域位置以及波速值[19],根据波速值探测出目标煤层的稳定性以及实际厚度。

2.3 资料处理

通过数据处理结果,得知目标对象有效槽波的实际频率以及主要干扰类别,其中包括随机干扰、工业干扰以及面波干扰等。根据矿区地质资料的自身特点,选取资料研究的入手点,通常有从静校正、速度分析以及叠加剩余静校正等方面,通过这些方法完善矿场地质勘探,保证勘测效果。

2.4 资料解释

资料解释是将地质勘查过程中,地层的实际情况以及较深区域的地震测线进行结合,得出较为明显的地质层位综合解释。

(1)地震反射波特征。由于煤矿区域实际施工面积较大,为了保证工作人员安全,在实际勘查过程中,地质勘查往往会大于煤矿区域的20%。在勘测过程中,不同地段反映的槽波特征也不相同。为了更加清楚明了地勘查出地质构造,根据时间剖面,将带有煤系的区域按照从上到下的顺序分成4组波形,分别为低界反射波组TE波、内部和低界反射波组T0二叠系内部煤层反射波组T2以及奥陶系顶界面[20]反射波组Tg。

(2)反射波地质层位的确定。利用历史煤矿地质资料和现有的地质情况,分析定性反射波地质层位。除了以上方法,还可以整合全部钻孔资料,以形成完整的勘查记录,从而直观地观测出新生界底部以及带有煤层位置的反射波。

(3)槽波对比。根据勘查区内的地质钻孔资料划分为4大反射波组,并依据反射波的强度以及相位等特征,对波形进行对比跟踪。在时间剖面的基础上,得出每种波形特征在反射层的起伏以及错断实际情况。

(4)地质构造解释。在时间剖面上解释断点,并根据地质规律原理组合平面图中的断点生成断层,以此得出矿区煤系地质构造勘查结果。

3 应用结果与分析

为了验证槽波雷达探测技术在矿区煤系地质构造勘查中的应用效果,测试结果如下。

3.1 应用环境

为了研究槽波雷达探测技术的实际应用效果,选取某煤矿作为应用对象。槽波测试仪器选用的模拟磁带为矿井地震仪,设备应用如图4所示。

(1)正常情况下,煤矿勘查区域的频率均较高。其中地面勘查有效波频率通常为40～80 Hz,而槽波在100～300 Hz。应用中要求仪器的频率处于高频率,因此设定仪器工作频率为80～430 Hz。

(2)由于煤矿作业环境复杂且微震过大,而勘查目标断层中产状以及破碎带与煤层接收点之间的长度均不相同,因此断层每个结构的反射波能量也不尽相同,所以选用的勘查仪器必须保证其信噪比最高,且可勘查的动态范围最广,具有较高的分辨能力,而应用中选用的仪器正符合以上要求。

(3)为了确保工作人员在煤矿井下的作业安全,选用的仪器均已作防爆处理。

3.2 勘查结果分析

利用满足上述要求的槽波雷达探测仪对某煤矿地质构造进行勘探,现已知应用对象的地质实际构造,见表1。

利用槽波雷达探测技术对地质结构进行勘察,共勘查出除煤层外的4种地质结构,地质勘测结果如图5所示。

表1 矿区煤系地质实际构造Tab.1 Actual geological structure of coal measures in the mining area

图5 槽波雷达探测技术的地质勘查结果Fig.5 Geological exploration results of slot wave radar detection technology

对比勘测结果与实际地质结构可知,槽波雷达探测技术得出的地质结构与实际地质结构完全一致,说明槽波雷达探测技术对地质结构的勘测是真实有效的。

煤矿勘探主要目的是勘查出煤矿断层的实际位置、深度和宽度,煤矿断层在不同深度中均可能存在,单每层煤矿深度均不相同。以埋深11～13 m为探测区域,利用所提方法对其进行勘察,并根据煤厚与槽波雷达探测群速度的相关关系,即可将槽波速度层析成像图转换为工作面煤厚分布情况,如图6所示。分析图6可知,工作面煤厚由南东向北西方向煤层厚度逐渐变大,靠近终采线位置煤厚8.0～9.0 m,向开切眼方向煤层厚度逐渐减小,在开切眼附近煤层厚度为1.6～2.0 m。

为了进一步证明槽波雷达探测技术的勘察效果好,综合考虑煤层厚度变化引起的槽波速度差异以及各道槽波的发育情况,选用110～165 Hz的带通滤波结果进行槽波群速度的层析成像。并根据探煤孔以及回采巷道、开切眼掘进过程中展示的煤层厚度信息,拟合出煤层厚度与槽波群速度的相关关系,如图7所示。

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

图7 煤层厚度与群速度拟合曲线Fig.7 Fitting curves between coal seam thickness and group velocity

由图7可以看出,在110～165 Hz频段槽波在薄煤区和厚煤区具有明显的群速度差异,能够较好地用于整个工作面煤层厚度的反演。但是在煤层厚度为4～6 m时,该频段群速度差异较小,对煤层厚度的分辨率有所降低。

综合上述结果可知,基于槽波和CT成像的矿区煤系地质复杂工作面隐伏构造精细化探测方法具有较好的探测效果。这是因为槽波雷达探测技术勘查地质构造时,可有效降低外界干扰,提高整体勘查精度,从而使得勘测结果与实际结果基本吻合。

4 结语

为了确保煤矿作业安全,研究了槽波雷达探测技术在矿区煤系地质构造勘查中的应用。该技术能够实现地质构造勘查的细致分析,完成精准的矿区煤系地质构造勘查,解决了地质构造勘查精度低的问题,在一定程度上保证了煤矿作业的安全。