高精度震波技术在探测岩溶裂隙中的应用和研究

宋晓筑

（松藻煤电公司石壕煤矿科技办公室，重庆 401449）

1 概述

随着掘进技术的发展和高产高效矿井的建设，传统的钻探和打探眼已不能满足生产需要，因此，研究应用超前探测技术及时掌握碛头前方岩溶裂隙的发育情况，防止瓦斯和水害事故发生，提高掘进效率，从而可以解决矿井地质探测中的一大难题。

2 石壕煤矿的概况

石壕煤矿是设计年生产能力90万吨/年的重庆市第二大生产矿井，现正井行技改扩能，预计2013年生产能力达到180万吨/年。所采煤层为二叠系上统龙潭组煤层，主采M8煤层。主要开拓巷道布置在二叠系下统茅口组灰岩中。

石壕煤矿地质条件复杂，采煤工作面小断层多，布置主要开拓巷道的茅口组石灰岩中岩溶裂隙非常发育，其内储存瓦斯和水，多次造成安全事故。根据石壕煤矿茅口巷施工的资料分析总结，每施工1000m茅口巷，要揭露5-10条不同性质的地质构造，统计有70%的构造无大的瓦斯和水影响，30%的构造有瓦斯和水涌出，有的地质构造是瓦斯和水分别涌出，有的构造是瓦斯和水同时涌出。随着矿井向下水平延深，北三区逐渐接近大木树向斜，茅口地层岩溶裂隙瓦斯和水压力压强增大，在茅口巷施工，一旦揭穿含瓦斯和水岩溶裂隙，就有可能瓦斯和水喷出现象。岩溶裂隙不但直接制约着掘进进度，还严重威胁到井下员工的生命安全。

煤矿生产中对巷道掘进前方的地质构造探测，是一项难度较高的地质工作，要求其探测值准确、及时、可靠，这给煤矿地质工作提出了更高的要求。为了实现石壕煤矿建设成为年产180万吨高产高效矿井的目标，改变多年来地质人员只能靠罗盘、皮尺开展地质工作，提高矿井掘进和回采工作面超前地质预报准确性，防止今后岩溶裂隙瓦斯和水给石壕矿造成安全事故，2007年公司引进福州华虹智能科技开发有限公司和安徽理工大学联合研制开发便携式矿井地质探测仪(KDZ1114-3)，探测前方岩溶水及岩溶瓦斯赋存情况，加快掘进速度，实现安全生产。

3 探测原理及探测方法

3.1 仪器原理

矿井地质探测仪主要利用弹性波勘探原理，利用震动作为弹性波波源，对被探测介质的距离和速度进行探测，采用自激自收解析法、瑞雷波解析法、折射解析法及反射解析法进行数据采集和解析。这四种解析方法应用于仪器内核，构成仪器四种全自动、半自动、手动探测方法，即单点探测、双点探测、折射探测与反射探测。目的是使仪器适用性更加广泛，突破以往使用探测仪器只能专业人员介入的局面。通过采集地震波，经仪器初处理后，再经过软件解析系统的综合分析后，从而确定异常界面。再结合地质基础资料，最终定性和定量确定其探测结果。

3.2 便携式矿井地质探测仪探测方法

便携式矿井地质探测仪震波探测方法主要有单点探测、双点探测、折射探测、松动探测、反射探测、用户探测等几种，其中石壕煤矿多次采用的也比较适合我矿的探测方法是用户探测中的单点探测方法和反射共偏移探测方法。

3.2.1 单点探测

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，为探测解析提供依据。

单点探测现场布置较为简单，根据不同探测目的和要求，其具体布置方式也有所区别。在实际工作中，由于受震源及其它震波 (声波、面波)的影响很难做到自激自收采集，因此只能近似地做极小偏移距单点单道采集，一般要求最浅目的层的反射角在20°以内。巷道前方超前探测，受断面面积控制，探测前必须先将松动煤、岩清除，煤、岩层中布置1道滑块式高阻尼传感器，间隔一定短距离采用锤击振动激发，采用多分量多波反射技术，进行多波分析和解释，单点探测模块可直接进行有关超前探测、顶煤厚度数据与实时结果分析。

3.2.2 反射共偏移探测

反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理，在单边排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。探测时，首先针对测试区域地震地质条件进行现场噪声调查，对排列记录分析对比，确定最佳共偏移接收窗口以及窗口内的检波器间距，并按一定的步距同步前移完成探测任务。只要地质体中存在波阻抗差异，如地质界面，就会产生反射回波，且反射能量受界面特性控制，这是进行地质体分辨的前提。通常在现场实际工作中，常用密集型单道共偏移数据解决实际问题，能满足现场的需要。它在对地质体连续追踪与调查中发挥着重要的作用。

现场探测时是在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持震源和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。图1为共偏移法现场施工示意图。利用这种共偏移地震剖面，可正确识别反射波同相轴，由于偏移距相同，数据处理时不需作正常时差校正。工程中常用来对反射波同相轴位置及特征进行了解，由于这种方法施工较为简单，特别适用于矿井煤岩巷道或工作面构造及异常地质体的调查工作。

根据反射波勘探原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图（见图2），且它的时距曲线方程为：

图2 单道观测系统波路图

式中x即为偏移距，v为探测介质的地震波波速，t为地震波旅行时间，而h是目标体的界面深度，是需要求解的。因此根据测试所获得的地震波记录，进行反射波相位追踪，确定各个界面的反射波组并求取反射相位时间，即可求解探测目标体的深度，并进行地质解释。对于倾斜界面则根据反射波组特征进行相应的深度校正，获得该界面的实际深度位置。

4 探测技术应用情况

4.1 N三区2#瓦斯巷探测

4.1.1 反射共偏移探测

采用单道反射自激自发进行探测，移动步距为0.3米，共布置测线2.4米，测线沿碛头正面岩体中进行布置和测试。控制点为变坡点位置，碛头位于变坡点向下斜距29米处。探测情况见图4。图中碛头前方反射波组特征明显，反射相位清淅，通过分析波形，取茅口灰岩波速为4600m/s，靠北帮位置所采波组显示碛头前方9米出现了能量反弹，振幅增强（见图3），得出从碛头前方9米出现异常区域，根据区域地质情况分析，怀疑是裂隙的位置。做出判断之后，及时通知书发放有关单位，要求施工连队必须严格按“先探后掘”的原则施工，瓦斯出现异常立即将人撤出到安全地方并及时向矿调度汇报，另外也加强了顶板的管理来防止事故的发生。

图3 N三区2#瓦斯巷超前探测波形及结果

经过现场揭露，当掘至变坡点向下斜距39米时，在巷道中揭露直径0.5米小溶洞，内存瓦斯和少量积水。距离误差在10%左右。

4.1.2 单点探测

为防止掘进过程中误入煤系，在N三区2#瓦斯巷碛头顶板还进行了单点探测自激自收的方法采集数据，测试点在碛头巷道顶板茅口灰岩中。数据波组特征明显，相位清晰，能够很容易的找到灰岩与铝土岩的分界面。通过波组分析，取灰岩波速为4600m/s，顶竖直向上5.06米出现能量反射，第一次能量反射到第二次能量反射之间取2200m/s，8.57米出现第二次能量反射。

推测第一次反射为铝土岩的底板，第二次反射为铝土岩的顶板。（见图4）

图4 N三区2#瓦斯巷超前探测波形及结果

钻孔资料揭露，顶到铝土岩的距离为4.5米，铝土岩厚3.5米，基本上可以确定这个区域的灰岩与铝土岩的波速。距离误差在10%左右。

4.2 N三区3#瓦斯巷上段E头

图5 N三区3#瓦斯巷实际情况与物探成果对比

采用单点自激自收方法探测碛头前方破碎带影响范围，探测在A6点向西1.2米两边的硐室中进行。数据采样波组特征明显，相位清晰，结果由两边所采波形综合分析而得。通过波组分析，石灰岩波速取4600m/s，破碎带波速取3000m/s，得到正常段石灰岩13.16m，破碎带影响范围9.65m。

经过巷道实际施工揭穿破碎带验证，正常段石灰岩10米，破碎带影响范围9米，误差在17%左右。（见图5）

5 应用总结

5.1 准确程度高。通过巷道揭露和打钻验证，以上结果的准确度在83%～90%之间，基本能满足茅口组灰岩巷道超前探测的要求。

5.2 震波探测有探测时间短，劳动强度小，探测精度好，工作效益高。与打钻探测相结合，可满足超前探测要求。

5.3 会效益显著。应用震波技术探测前方岩溶水及岩溶瓦斯赋存情况，探测细密，能保证精度，提高地质预报的准确率，加快掘进速度，实现安全生产。

结束语

震波探测技术的应用，为矿井高产高效矿井建设提供了保障。从目前矿井物探和矿井地质角度来看，井下超前探测和预报问题，国内外尚无其它成熟有效的技术手段和解决方法，KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪可作为前方探测与预测的一种较为理想的辅助工具，其对岩、煤层分界及其它异常区域探测具有较好的适用性。

石壕煤矿茅口灰岩的综合波速取4200-4600米/秒是较为合理的。利用震波技术进行地质探测时确定波速是关键。石壕煤矿在探测时，井下煤体及岩体波速是根据探测仪所测到的反射波进行选取的，与震波在煤、岩体中传播的实际波速会存在一定的误差，通过现场多次探测对比，建立矿区不同地质条件有效波速资料，可不断提高探测精度。

在进行茅口灰岩超前和灰岩厚度探测时，利用仪器的单点和反射共偏移法进行探测是比较合理的。

[1]陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与物探教程[M].北京：地质出版社，2005.

[2]李小平.巷道内远距离震波超前探测可行性分析[J].河北煤炭，20005.

[3]王庆海.浅层地震勘探[M].中国建筑出版社.