基于煤岩特征弹性参数的掘进煤巷地震波超前探测研究

邓帅奇，李东会，赵朋朋

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州221000；2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作454002；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710000）

我国煤层赋存地质条件复杂，瓦斯含量大，随着开采年限的增加，由瓦斯、涌水、陷落柱和断层等不良地质引起的煤矿安全事故逐年增加，成为威胁煤矿安全生产和制约煤炭工业发展重要阻力。目前，我国矿井弹性波地球物理探测技术主要为槽波地震勘探、瑞雷波勘探技术、微震监测技术等，由于受物探设备局限性与井下复杂环境制约，往往勘探需要耗费大量的人力物力，且施工难度大[1-4]。针对这一问题，中煤科工集团重庆研究院于2007 年研制了DTC-150 超前探测系统，该系统能够适应井下恶劣环境且携带方便易操作，同时实现了井下长距离超前探测的目的，对指导矿井安全生产具有重要意义。

为了快速准确地对掘进巷道前方进行超前地质预报，国内外学者开展了大量超前探测理论和技术方法研究[5-8]。其中，刘青雯[9]通过井下电法超前探测方法对不同矿区试验提出了三点-三极巷道超前探测技术，减小了掘进巷道迎头后方巷道底板对探测结果的影响，大大提高了解释的准确度；刘盛东[5]，郭立全[10]运用地震波超前探测技术（MSP），通过增益处理、矢量波场分离、偏移叠加等技术对采集数据进行处理，结果表明MSP 技术能够有效探明掘进工作面前方150 m 以内断层等地质构造；李术才[11]运用激发极化法对隧道含水地质进行了超前探测，结果表明激发极化法可以解决在施工期间隧道含水层不易定位的难题，并且实现了含水量的估算，在很大程度上拓宽了超前探测的应用范围；李云波[12]在晋煤古书院矿中现场应用DTC-150 超期探测仪探测出掘进工作面前方40 m 和100 m 处分别存在断层构造和煤岩破碎带，在贵州瓮安煤矿工作面前方95 m 处和102 m 处发现了断层。梁庆华，宋劲[13]通过多波多分量超前探测地震波原理进行现场试验中，准确预报了掘进工作面前方100 m 以内的不良地质体，并依据此仪器通过波速对围岩进行了分类。

以上研究结果表明，不同学者针对不同超前探测技术提出了相应的理论分析方法，而DTC-150 超前探测仪现场应用多而理论方面的研究相对滞后。为此在前人研究的基础上分析了DTC-150 超前探测系统设备、基本原理、观测系统布置，并运用弹性波理论中纵横波速度、煤岩密度、纵横波速度比、泊松比、品质因子、剪切模量等煤岩特征弹性参数综合对古汉山煤矿1702 回风巷掘进工作面进行超前地质预测，并通过现场钻孔验证与揭露对预测结果进行了对比分析。

1 DTC-150 超前探测仪基本理论与技术

1.1 DTC-150 工作原理

DTC-150 防爆地质超前探测仪是针对煤矿、隧道等地下工程研制开发的一种用于探测不良地质构造的设备，其基本工作原理是采用多波多分量反射波定位勘探原理。沿巷道按照一定排列布置激发点，利用三分量检波器作为接收装置，地震波以球面波形式在煤岩介质中传播，当传播过程中遇到地层性质变化时（即遇到波阻抗界面如地层界面、断层碎裂带、岩溶陷落柱等），产生的反射波被高灵敏度的三分量地震检波器接收。对接收到地震记录进行增益、滤波、波场分离等处理，拾取有效信号。结合地震波的旅行时、振幅、速度等参数对前方地质构造作出预测，供相关技术人员参考并制定相应安全生产措施。

地震波速度是超前地质探测中一个重要的参数，根据地震波的速度和旅行时可以计算出反射界面与震源、检波器间的相对位置，这是测定结果准确度的关键因素。影响地震波速度参数多且复杂，一方面速度与周围岩层的物理特性有关，另一方面又与介质的构成和速度计算方法有着紧密关系。在同一的弹性介质中，纵波和横波的传播速度是不一样的[14]。

纵波的速度vP为：

横波速度vS为：

式中：E 为杨氏弹性模量，它是一个与煤岩弹性性质相关的常量，弹性越好，E 值越大；ρ 为煤岩密度；υ 为泊松比。

DTC-150 防爆超前探测原理图如图1。

图1 DTC-150 防爆超前探测原理图Fig.1 DTC-150 explosion proof advanced detection schematic diagram

1.2 DCT-150 系统构成施工方法技术

1）系统构成。DTC-150 防爆超前探测仪主要由4 部分构成，分别为主机系统、激发系统、接收系统及处理软件系统。其中主机系统是整个探测仪的主要部分，实时跟踪采集记录反射波信号并存储在系统中，具有防爆、防尘、防水、防震的优点，能够在恶劣的掘进巷道环境中正常工作；激发系统是由铜锤和1 个纯铜垫片构成，铜锤内部装有传感激发探头，通过电缆与信号盒相连再传送至主机装置；接收系统由极灵敏的三分量地震加速度传感器构成，安置在1 个密闭的橡胶套筒内，橡胶套筒与煤岩之间采用充气的方式进行耦合。试验过程要使巷道内及邻近巷道暂停施工，减少随机干扰，从而保证测量数据的准确度。DTC-150 防爆超前探测仪实物图如图2。

图2 DTC-150 防爆超前探测仪实物图Fig.2 Physical figure of DTC-150 explosion-proof advanced detector

2）观测系统布置。DTC-150 防爆超前探测仪现场试验技术方案：①震源布设：试验共布置24 个激发点，第1 个激发点距掘进迎头5 m，触发点高度为距离底板1 m，其余23 个锤击点以同样高度，间距1.5 m 向后依次布置；②接收孔布置：距离第24 个触发点向后15 m 布置三分量检波器钻孔，开孔高度为1 m 处，直径为42 mm，孔深以穿过煤层松动圈为标准，通常深度为1.5～3.0 m，将连接好传感器橡胶管放入孔内；③参数设定：主机依据矿井巷道实际情况、断面大小进行参数设置，检查无误后点击开始键便可以进行数据采集工作。

2 掘进煤巷超前探测结果

2.1 矿井地质概况与观测系统布置

古汉山煤矿地处华北板块南部，受太行构造控制，区内构造多为NE 断层，井田东西有走向NW 的赤庄断层和界碑断层，井田南北有走向NE 的油坊蒋断层和九里山断层，构造复杂且存在落差较小的断层未查明[15-16]，观测系统布置如图3。

测定试验在1702 回风巷掘进工作面进行，位于17 采区西翼，北部为F5断层，西部毗邻15051 工作面（已回采），东部为17 轨道上山保护煤柱。平均煤厚5.12 m，煤质中硬、亮型，为黑色块状、具贝壳状断口，节理劈理发育，顶板为细粒砂岩和砂质泥岩，底板为泥岩。

图3 观测系统布置Fig.3 Observation system

试验在1702 工作面回风巷掘进迎头展开，目的是预测掘进巷道前方大约50～150 m 范围内的地质构造，并分析煤岩的弹性参数。依据现场实际状况，遵照设备操作步骤依次进行，1702 回风巷掘进工作面试验布设图如图4。

图4 1702 回风巷掘进工作面试验布设图Fig.4 1702 layout of interview and inspection for driving in return air lane

2.2 超前探测结果

在古汉山煤矿1702 回风巷掘进巷道迎头进行弹性波超前探测工作，获得了高质量的原始数据，采用系统自带软件进行信息处理，得到纵横波分离后的地震记录，经过增益、滤波、波场分离、偏移等处理获得了的纵波和横波的偏移剖面如图5。

从图5（a）可以看出，距掘进迎头前方65～74、100～110、120～140 m 区域存在地质异常。从图5（b）、图5（c）可以看出，在掘进迎头前方68～85、120～138 m 左右范围内存在地质异常。由于环境噪声的影响，探测成果可能存在多解性。为了提高解释准确度，通过弹性波理论中纵横波速度、密度变化、纵横波速比、泊松比和品质因子等煤岩特征弹性参数综合分析，确定掘进巷道前方异常体的位置。

2.2.1 纵横波速度

图5 偏移剖面Fig.5 Migration profile

孔隙度是影响地震波传播速度的1 个重要因素，煤岩受地质构造作用发生破坏后，在应力作用下破坏后煤体、岩体孔隙度均会增大，使得地震波在传播时纵横波速下降，可以推断波速突变部位可能是煤岩破碎带。纵波和横波速度变化分析图如图6。

图6 纵波和横波速度变化分析图Fig.6 Analysis diagram of velocity change of P and S wave

从图6 可以看出，在65～74 m 纵波和横波速度发生变小的趋势，这表明前方存在煤岩破碎。纵波波速变化一定程度可表征岩石级别由优变为中等，岩石的性质特征由完整变为破碎，当地震波传播至136～138 m 处，速度又开始呈减小的趋势，反映出岩石级别由优变为差，岩石的性质特征为破碎，可能存在地质构造。

2.2.2 煤岩密度变化特征

煤层与岩石在成分、结构特性、成岩作用等方面具有明显不同，与岩石相比煤体具有低密度、低速度的特征，因此通过密度变化特征可以判别构造发生部位煤岩破坏类型。煤岩密度与地震波传播速度具有密切关系，研究表明煤岩密度与声波纵横波速度具有非线性正相关关系。可以通过式（3）表示[17]：

式中：ρ 为密度；v 为弹性波速度（纵波或者横波）；k0、k1、k2为取决于煤体、岩石的纵横波的参数。

由式（3）可知，纵横波速度随着密度的增大而增大，随着密度的减小而减小。

煤岩密度在掘进面前方65～74 m 的范围内出现了减小趋势后恢复，可以得出此范围的煤岩存在破碎现象，在掘进工作面138 m 左右也出现了岩体密度急剧减小的现象，表明此处存在地质构造的界面，结合其它特征弹性参数可以判识为小型断层。煤岩密度变化图如图7。

图7 煤岩密度变化图Fig.7 Density change of coal and rock

2.2.3 纵横波速比和泊松比

通过地震波可以反演煤体结构特征，地震波在煤岩体传播时，横波主要是通过煤岩骨架传播，因此随着煤岩孔隙度减小，横波波的增加量要远大于纵波的增加量，使得纵波和横波波速度比值减小，泊松比也随着减小，反之随着孔隙度增大纵波和横波速度比值增加，泊松比也会增大[18]。根据这一特性可以判断地震波在煤岩中传播时，如果泊松比增大，说明前方煤岩孔隙度增大，可能存在地质构造。根据弹性波理论，有纵波速度和横波速度可以计算得到泊松比，如式（4）：

纵波和横波速度的比：

式中：υ 为泊松比；vP为纵波速度；vS为横波波速；k 为纵横波速比值。

把式（5）代入式（4）可得：

由式（6）可以看出，泊松比与纵横波速度的比值呈正比例的关系。

泊松比与纵波和横波速度比分析图如图8。在超前探测结果中，纵横波速度比与泊松比之间存在正相关关系，且在掘进面前方65～74 m 处纵横波速度比和泊松比都有增加，说明该区域内煤岩孔隙度增加，煤岩体裂隙发育，煤层破碎，同时在掘进面前方136～138 m 左右纵横波速度比急剧增大，泊松比也急剧增大，可以判定此范围内存在裂隙，推断为该区断层发育。

图8 泊松比与横纵波波速比分析图Fig.8 Analysis of Poisson’s ratio and velocity ratio of transverse and longitudinal waves

2.2.4 品质因子

地震波在地层传播过程中，能量会发生衰减。品质因子作为表征固有岩层能量衰减的属性，在预测岩性、油气的储藏位置和范围等方面具有非常重要的意义，被作为一种非常重要的地震属性。国内学者对品质因子和纵波速度建立了联系，其中李庆忠[18]从实测的数据出发，阐述了品质因子Q 和地震波波速v 的关系，得到了地震波速度与品质因子的经验公式：

成林[19]对构造煤岩纵横波与传播能量衰减特征进行研究，发现品质因子QP、QS分别与纵横波速度具有线性相关性，品质因子随着纵横波速的增大而增大。

超前探测品质因子变化图如图9。由图9 可以看出，在掘进工作面前方65～74 m 处品质因子呈减小的趋势，说明此范围内煤体结构不稳定，煤体发生破碎。在掘进工作面前方138 m 左右品质因子开始呈下降的趋势，表明此处的煤体性质也发生了变化。

2.2.5 其他煤岩物理参数

超前探测煤岩物理参数分析如图10。

运用剪切模量能够反映出掘进巷道前方65～74 m 的煤岩破碎情况，该出处剪切模量呈减小的趋势，在掘进面前方136～138 m 处剪切模量开始呈下降的趋势，与上述结果分析相同，而拉梅常数、杨氏模量变化趋势不一致且规律性不明显，不能很好地说明掘进巷道前方岩石的物理特征。

图9 超前探测品质因子变化图Fig.9 Change chart of quality factor in advance detection

图10 超前探测煤岩物理参数分析Fig.10 Analysis of physical parameters of coal and rock in advance detection

综上所述，分析结果为：

1）距离1702 回风巷掘进巷道迎头前方65～74 m 的范围内，纵波的速度减小，纵横波都有较大的变化，密度较正常煤体变小、泊松比增大，推断为煤层破碎带。

2）掘进巷道迎头前方136～138 m 范围内，横波水平分量偏移剖面上界面特征明显，纵波和横波速度比急剧增大，泊松比增大，综合以上信息可以判定煤岩体裂隙发育，可以推测此处为断层。

2.3 现场钻孔验证与揭露对比

针对DTC-150 防爆超前探测仪测定分析结果，古汉山矿在1702 回风巷掘进迎头布置验证孔3 个，其中1#、3#钻孔布置在巷道正前两侧帮，2#孔为巷道迎头正前方，对前方80 m 范围内的地层及煤层赋存规律进行探查，结果均为全煤钻孔，超前钻探结果表明掘进巷道迎头前方66 m 处存有煤层破碎带，无大的断裂构造存在。第2 次超前钻探结果显示掘进巷道迎头前方54 m 处断层发育，相对探测施工位置为掘进巷道迎头前方137 m 处。

实际揭露的结果为距离1702 回风巷掘进工作面前方64～74 m 的范围内有煤层破碎带，煤层的厚度由5 m 变为3 m，之后又恢复到5 m，破碎带的长度距离为10 m。掘进面正前方136 m 左右范围内存在断层F1702-3（走向161°，倾向251°，倾角70°，落差高度为2 m），超前钻探的结果显示是136～138 m，探测分析结果与实际揭露几乎完全吻合，极大地提高了超前探测系统预报的准确性。超前探测成果与揭露对比平面图如图11。

图11 超前探测成果与揭露对比平面图Fig.11 Comparison plan of advanced detection results and exposure

3 结 语

1）详细论述了DTC-150 防爆型超前探测仪工作原理及施工方法与技术，并针对古汉山煤矿1702回风巷掘进巷道迎头进行了弹性波超前探测。

2）在偏移剖面基础上综合运用纵横波速度、岩石密度、纵横波速度比、泊松比、品质因子、剪切模量等煤岩特征弹性参数对探测结果进行分析解释，极大地提高了超前探测准确性。

3）预测出距离掘进巷道迎头前方65～74 m 的范围内存在煤层破碎带，掘进工作面正前方136～138 m 处有断层，探测结果与现场钻孔验证和揭露对比吻合。