煤矿井下掘进工作面构造超前探测技术应用

赵云峰

（中煤新集能源股份有限公司，安徽 亳州 232000）

目前，瓦斯、涌水、陷落柱、断层引起的煤矿安全事故越来越多，这是因为在巷道掘进过程中前方很难清楚地探明煤层附近可能存在的断层等地质构造的性质、空间方位以及附近岩石的特性[1-2]。在板集煤矿回风巷掘进过程中遇到很多影响工程进展的情况，因此项目施工人员需要探明前方地质特征，避免可能发生的煤与瓦斯突出、突水、顶板塌落等地质灾害[3]。为了解决以上地质问题，板集煤矿采用DTC-150超前探测系统，提前探明前方的地质状况，通过超前探测系统的预测，了解回风掘进巷地质状况，合理安排工作进度，修改工作计划，提高施工效率，减少工作成本[4]。

1 超前探测地震波理论

1.1 地震波基本类型

地震波在岩石中传播，实际上就是岩层中粒子的弹性形变的传递。按照弹性形变的基本类型或岩石质点振动的不同形式，地震波可分为以下两种：

（1）纵波（P波）。当弹性介质中的某一部位受到外力作用发生变形时，由于变形与法向应力的互相作用，使质点产生振动，这种振动的现象是各质点之间膨胀或者压缩，使这样的振动沿整体岩层传播出来，即生成膨胀和压缩相互交换的P波。

（2）横波（S波）。当理想岩层中的某一位置受到外力作用产生切变时，因为切变和切向应力的相互作用，也会让质点产生振动。这种振动的现象是在不同平面上各质点往返滚动，让这样的振动沿着整体弹性岩层传播出来，即生成S波。

1.2 波的反射、折射和透射现象

（1）反射波

地震波在岩层中经过反射形成的一类波叫反射波。当波由介质1射入到介质2的分界面时，就会发生反射与透射现象。第一种介质的波阻抗为ρ1v1，第二种介质的波阻抗为ρ2v2，如果满足ρ1v1=ρ2v2，波就会出现反射现象。

反射系数R等于：

式中：ρ1v1、ρ2v2分别为分界面上下两种介质的密度和速度乘积，即介质1和介质2的波阻抗。

（2）透射波

地震波沿地层传播遇到两种不同介质的界面时，一些波经过反射返回到原介质中形成反射波，而另外一些波则透过分界面形成透射波。透射波和入射波需要满足透射定律，即

地震波满足层状介质中的传播规律，P为射线参数，有以下恒等式：

透射系数：

当v1≠v2，才能形成透射波，在入射波能量不变的前提下，反射波的振幅与透射波成反比。

（3）折射波

如果v2＞v1，透射角的角度大于入射角。入射角如果继续变大，透射角同时会一起变大。假如入射角增大到一个角度i的时候，可使透射角β=90°，即

这时透射波以v2速度沿界面运行，入射角i为临界角，A为临界点。这时只要已知v1、v2就可利用i=arcsinv1/v2求出临界角i。

2 超前探测试验

2.1 煤矿矿井地质构造概况

板集煤矿主要采用走向长壁倾斜分层人工假顶采煤，采煤的主要方式是综采工艺。该矿是单一煤层开采，二叠系山西组二1煤层是主要开采煤层，煤层稳定且结构简单，煤厚平均为4.9 m。

从煤层形成到三叠纪末，矿区内断裂还没有形成，此时产生的气体能够被保存下来。构造应力的方向是NWW-SEE，形成了一系列NNE方向的压性逆断层，对瓦斯的释放作用较小。早白垩纪到始新世时期，区域应力场变为NE-SW方向拉伸作用，原来的NE向逆断裂反转为正断层，此时的NE向断层变成了瓦斯运移的通道，瓦斯得到了大量地释放。新构造作用时期，应力场的方向为NEE-SWW向，近东西向断裂反扭拉张，使煤层与奥陶系灰岩连接，构成气体运移的通道。整个矿区的地势很平缓，倾角在10°左右，走向为北东—北北东，倾向南东向。地质构造主要以断层的方式呈现，褶曲发育比较少。

井田内中小构造特征及分布规律：

井田内已揭露断层均为正断层，走向多为东西向及北东向，倾角从30°～75°不等，断层附近岩、煤层垂直节理发育，顶板多有揉皱现象。

褶曲总体特征表现为宽缓的构造形态，向、背斜轴间距150 m左右，局部出现小褶曲，顶板滑动面发育，岩、煤层强度受到影响，给煤层开采带来负面影响。

2.2 DTC-150超前探测设备介绍

DTC-150防爆地质超前探测仪工作原理（图1）为三分量反射地震方法，设备主要由主机、信号盒、传感器等组成。

图1 探测原理图

2.3 回风巷掘进工作面现场试验

在进行矿井掘进面超前探测过程中，信号的收集是整个试验的基础，也是第一阶段的工作，其目的是为数据处理和解释提供第一手信息。第一手资料质量的高低，将直接影响到软件处理的精度和后期成像解释的准确度。试验现场布置图如图2。

图2 试验现场布置图

（1）震源布置

现场试验共标有24个锤击位置，从掘进面向后，在巷道侧帮标记。第一个锤击点距掘进面退后5 m，高1 m，其他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

接收器孔数量为1个，布置在巷道左侧或者右侧壁，直径为42 mm，深度为1.5～2 m，距第24号炮孔18 m，高度1 m。方向：垂直打入巷道一侧内，水平于巷道走向；高度：大约距离地面1.0～1.5 m；位置：大约距离巷道掘进面55～57.5 m。

（3）接收器位置布置

在信号接收之前，应先检查传感器橡胶管与接收孔以及煤岩之间的耦合情况，并检查橡胶管末端表面是否有机械损伤，是否能正常使用。为了使传感器固定且牢固，应采用打气筒向接收器橡胶管内注气，然后确定接收器是否与煤岩耦合，将传感器通过电缆连接到DTC-150主机。

（4）震源的激发

在原来标记过的震源位置进行铜锤击打，遇到不平整的煤壁需要用到铜管垫片，将垫片放在煤壁上，然后用铜锤击打点垫片。

3 超前探测试验结果

3.1 纵横波速度分析

孔隙度是影响波速大小的一个重要因素，为了更好地讲明地震波的传播速度与岩石的孔隙度之间的关联，1956年Wylie等人提出了时间平均方程，该公式为：

式中：v是地震波速度；vm是岩石骨架的地震速度；vL是充填物质的波速度；φ为岩石的孔隙度。

地震波在岩石中传播时，实际上是在岩石孔隙和岩石颗粒两种介质中传播，波速与孔隙度成反比。

煤岩体发生构造运动时，应力作用会使煤岩孔隙度增加，岩石密度减小。岩石介质中孔隙度上升，会导致纵横波速度下降。当地震波在岩石中传播时，波速度减小时，则可以推断出煤岩孔隙度变大，煤岩可能发生断裂。

根据纵横波速度的变化图图3可知，纵横波在煤岩传播的过程中，纵横波速度有变小的趋势，说明前方遇到煤岩破碎。在65～74 m处，纵横波速开始变小。纵波波速代表的岩石级别由优变为中等，岩石的性质特征由完整变为了破碎。在138 m处开始，波速也在呈减小的趋势。岩石级别由优变差，岩石破碎。这说明在这两处煤岩性质发生了变化，有可能会有构造的出现。

图3 纵横波速分析图

3.2 密度方面分析

从整体图4可以看出：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。

图4 密度与纵横波的关系

从实验室得到的结论可知，声波的速度和岩石密度之间有着非线性的正相关关系，纵横波速度随着岩石密度的减小而减小。煤岩密度在掘进面前方65～74 m的范围内出现了减小现象，说明声波波速在此范围内是减小的，煤岩的密度也是减小的，可以得出此范围的煤岩较前面相比，比较破碎。在掘进面138 m左右也出现了煤岩密度急剧减小的现象，说明此处有构造的形成。

3.3 纵横波速比和泊松比分析

煤岩密度随着埋深的增加而增大，煤岩孔隙度随着埋藏深度的增加、压力的增大而减小，而横波主要是通过岩石骨架传播，故横波的增加量要远大于纵波的增加量，使得纵横波速度比值减小，泊松比也随着减小。反推随着岩石孔隙度的增大、密度的减小，横波沿煤岩骨架传播时，横波波速的减少量要大于纵波的减少量，使得纵横波速度比值增加，泊松比也会随着增大。泊松比与纵横波速比分析图如图5。

图5 泊松比与纵横波速比分析图

在超前探测结果分析中，纵横波速度比与泊松比之间存在正相关关系。在掘进面前方65～74 m处纵横波速度比和泊松比都增加，说明此范围内煤岩孔隙度增加，煤岩体裂隙发育，煤层破碎。在掘进面前方138 m左右p/s波速比急剧增大，泊松比也急剧增大，可以判定此范围内存在裂隙。

4 结论与展望

（1）分析了DTC-150超前探测系统中数据采集过程中的各个参数的设置问题，并且可以针对不同的地质情况采用不同的参数。

（2）通过对DTC-150超前探测系统在板集煤矿的应用研究，结合揭露后的地质情况综合分析，证明超前预报系统在煤矿生产中地质预报的精准性。根据超前探测的结果，验证了板集煤矿回风巷掘进工作面的地质情况，成功地探测出了回风巷掘进工作面前方那个100 m以内煤层破碎带和断层。

（3）DTC-150超前探测系统存在着一些缺点，对于地质构造空间位置的准确预测还有一定的难度，这需要通过大量的实践来进行研究验证。由于没有进行多地实测，只能从定性的方面分析了误差存在的影响因素及提高准确性的办法，没有进行数量上的实际探测分析，应该多找几个矿区对试验的结果进行佐证。