震波CT技术在断层超前探测中的应用

赵宝林 王传永 刘 超

(1.河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿；2.河南工业和信息化职业学院)

震波CT技术在断层超前探测中的应用

赵宝林1王传永1刘 超2

(1.河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿；2.河南工业和信息化职业学院)

城郊井田二水平南翼采掘活动受落差0～28 m的DSF7逆断层影响较大，为了确保安全生产，采用震波CT技术对该断层进行超前探测。探测结果与巷道实际揭露情况对比表明，该技术对断层面位置控制程度可靠，具有成本低、操作便利、探测精度高等优点，应用前景广阔。

震波CT技术 断层 超前探测

城郊煤矿位于河南省永城市境内，隶属于河南能源化工集团永煤公司，2003年投产，2009年核定生产能力为5.0 Mt/a，主采山西组二2煤层，采用立井两水平上下山开拓方式，混合式通风系统，属瓦斯矿井，水文地质条件中等。城郊井田南翼发育DSF7逆断层，由于该断层走向延伸较长、落差大，对矿井采掘活动影响范围大。因此，有必要采取有效手段对该断层的赋存情况进行超前探测。

1 应用背景

目前，国内外矿井超前探测技术正由传统的单一钻探技术向轻便化、高精度、多功能、数字化、系列化和智能化方向发展。井下断层超前探测技术方法主要有电法、地震、坑透、槽波等，相比之下，地震波CT技术能够对地质构造行迹进行较全面细致地判定，具有较好的应用价值。城郊煤矿以往断层超前探测手段比较单一，主要利用ZDY系列液压坑道钻机进行钻探施工，该类钻机虽有诸多优点，但存在整机笨重，搬运安装耗时费力等缺点，且施工周期较长。另外，在钻探过程中易发生钻孔偏斜从而影响对断层的控制精度。

2 震波CT超前探测原理

结合实际需要，采用矿井震波CT超前探测(Mine Seismic Prediction)系统(简称MSP系统)进行探测。对于进行采掘工作面地质异常体的探测来说，震波CT技术是一种比较常用的手段[1-3]，具有探测方法简便、探测结果清晰直观、精度高、不受巷道支护方式影响等优点。MSP系统对于地质条件适应性较强，完全能满足煤矿工作的技术要求，该技术已广泛应用于探测掘进巷道前方200 m范围的地质体(断层、破碎带、煤岩界面、陷落柱等不良地质体)。震波CT技术即地震层析成像技术，是应用人工爆破地震发射与接收系统的地震层析成像理论，沿巷道后方布置震源和传感器，通过地质体的外部地震波走时和衰减的观测数据，准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像[2]。沿巷道左(右)帮特定位置平行布置爆破点，通过人为制造规则排列的轻微震源，产生地震断面，进而形成震波，当震波接触至断层破碎界面时，形成反射波。MSP系统模型见图1，该系统由激发、记录、接收等3个单元组成，见图2。

图1 巷道MSP系统模型

图2 MSP系统组成

3 探测结果分析

3.1 探测方案

城郊煤矿二水平南翼胶带大巷2014年6月18日施工至SYP26点前45.2 m(通尺1 742 m)位置，结合现场实际，MSP探测选择在该巷道迎头后方进行，爆破震源选用炸药。测线布置于巷道的左右帮上，炮孔28个，单个炮眼深1.5 m，垂直巷帮打设，设置接收传感器点2个，即C1、C2点，见图3。

图3 迎头MSP超前探测测布置

3.2 探测结果处理

震波CT探测数据的处理在MSP 2.0平台上进行，处理流程为：预处理→频谱分析→直达波求取→反射波提取→速度分析→深度偏移→提取界面。现场直达波速度拟合及实采波形图见图4。由该图可获得直达横波速度为1.6 m/ms，直达纵波速度为2.6 m/ms。

图4 现场直达波速度拟合及实采波形

在给定速度模型的基础上将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上，以该成果图件为基础提取巷道前方的反射界面[4]。由于探测震源选择了炸药，因此探测的直线距离为150 m，其中距已掘进区域45.2 m ，距离待掘进区域104.8 m。

3.3 探测成果分析

MSP系统得到的二水平南翼胶带大巷迎头前方地震纵波界面提取图，见图5。由图5可知，自SYP26测点向巷道掘进前方103.6 m范围内存在较为明显的1组强反射相位，即R1。该异常MSP系统震波探测面位于SYP26测点前87～97 m处，其界面反射能量极强。当日迎头位于SYP26测点前45.2 m(通尺 1 742 m)位置，根据二水平南翼采区有关的地质资料和纵波偏移结果推断，在巷道迎头前方41.7～51.8 m段存在的R1异常界面应为DSF7断层面位置。

图5 地震纵波界面提取结果

结合上述DSF7断层的探测成果，重新调整断层面位置，并重新控制和划定了预计揭露的断层位置，即预计掘进至通尺181 m左右将揭露该断层。而按照城郊煤矿原有的三维地震资料，预计二水平南翼轨道大巷(Ⅱ段)掘进到通尺197 m才揭露该断层。通过对二水平南翼轨道大巷(Ⅱ段)掘进过程跟踪观测可知，该断层实际揭露位置为通尺185 m，这与三维地震提供的位置误差为14 m，与震波CT技术探测断层的位置误差为4 m。由此可见，震波CT技术对DSF7断层面位置的控制程度较为可靠。

4 结 语

采用震波CT技术对城郊煤矿DSF7断层进行超前探测，结果表明：该技术对断层面位置的控制程度可靠，具有安全系数高、施工成本低、操作便利、探测精度高等优点。因此，对井下一般地质超前探可采用该技术代替液压钻机，按照每次钻探设计3个钻孔，单个钻孔钻探综合成本5 000元计算，则每次可节省15 000元。根据城郊煤矿矿井采掘接替计划和防治水规划，未来3 a需要实施超前探施工约60次，考虑到钻探设备及配件损耗等因素，则每年可节约资金260万元，经济效益显著。

[1] 杨文采，李幼铭.地震走时层析成像算法与比较[J].中国矿业大学学报，2000(2)：211-214.

[2] 张平松，刘盛东，吴荣新.地震波CT技术探测煤层上覆岩层破坏规律[J].岩石力学与工程学报，2004(15)：2510-2513.

[3] 周官群，刘盛东，郭立全.采掘工作面地质异常体震波CT探测技术[J].煤炭科学技术，2007(4)：37-40.

2015-07-27)

赵宝林(1986—)，男，助理工程师，476600 河南省永城市。