煤礦井下槽波地震勘探論文范文

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1設計理念

礦用節點式地震儀的設計理念可以概括為“節點式設計、獨立型激發、分布式采集、三通道存儲、集中式回收”，這些設計理念較好地呼應了煤礦井下地震儀器設計的客觀需求，其主要特點體現在［4－5］:1)節點式設計是指儀器無主機、無大線、無數據傳輸，節點式地震儀集傳統的分布式儀器的主機、采集站、交叉站、電源站于一體，可以靈活布設、方便采集，但又遵守統一的時間約定。2)獨立型激發是指可以獨立同時激發(ISS，in-dependentsimultaneousshooting)方式采集，對震源激發時間不作任何制約，可在確保安全的情況下同時放炮，大幅提高了作業效率，縮短了采集時間。3)分布式采集是指以各個節點式地震儀為單元，按照設計的位置布設接收點，獨立進行數據采集，采集道數可以自由擴展。4)三通道存儲是指每臺節點式地震儀設計為3個通道，可以滿足三分量采集的需求。5)集中式回收是指井下數據采集結束后，全部數據在回到地面后利用高速以太網實現數據集中回收。綜上可知，基于“節點式設計、獨立型激發、分布式采集、三通道存儲、集中式回收”的儀器設計理念，礦用節點式地震儀實現了本安防爆、技術先進、施工快捷的要求，每個采集通道的折合質量約1kg，為煤礦井下槽波地震勘探技術的應用奠定了基礎。

2槽波地震的觀測系統設計

2.1槽波地震勘探原理在煤層與頂底板的3層地質結構中，煤層的速度、密度相對較低，是一個“低速槽”，且煤層與頂、底板存在較大的波阻抗差異，屬于良好的地震反射界面。因此，在煤層中激發的地震波，遇到煤層頂底板后就會發生反射、透射和折射，且在較短的距離內地震反射波的入射角將會達到或超過臨界角，從而形成了全反射的條件，此后地震波的能量被“禁錮”在煤層的低速槽中而極少“逃逸”出去。因此，槽波是一種在煤層中激發、在煤層中接收、沿煤層傳播的制導波，其理論基礎完備，形成機理、傳播方式、波場特征等比較清楚。槽波地震探測就是利用煤層的這一導波特性，以探查煤層內斷層、陷落柱、煤厚變薄區、巖漿巖侵入范圍等地質異常的一種地球物理探測方法，它也是目前煤礦井下構造探測精度最高的方法［6－8］。

2.2槽波地震勘探方法槽波地震勘探是利用在煤層中激發和傳播的導波，探查煤層不連續性的一種地球物理方法，是地震勘探的一個分支。槽波地震勘探可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢棄巷道等地質異常，具有探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征較易于識別以及最終探測結果直觀的優點，在探測精度、探測距離上優于其他煤礦井下物探方法，是目前最有效的煤礦井下探測方法之一。煤礦井下槽波地震勘探方法主要包括透射槽波地震勘探技術和反射槽波地震勘探技術，其中透射槽波地震勘探技術較為成熟、應用廣泛。1)透射槽波的觀測系統。它是利用從震源透過煤層傳至接收點的槽波信號，以探測工作面內斷層、陷落柱、煤層變薄區等地質異常體。因此，透射槽波地震勘探時，炮點與檢波點布置在不同巷道內，根據槽波的有無、強弱來判斷有無構造異常，透射槽波的最大探測距離可達煤厚的300倍。考慮到基建礦井、生產礦井的巷道條件以及地質需求，圖1給出了幾種典型的透射槽波地震勘探觀測系統設計示意［12］。圖1中的巷道以2條平行細線來代表，炮點與檢波點分別布置在巷道中，炮點距離、檢波點距離等依據設計要求確定;圖1中的陰影區域為透射槽波控制區域。可以看出:節點式地震儀能夠靈活適應各種巷道的任意組合形式，這是集中式或分布式槽波地震儀所無法比擬的。2)反射槽波的觀測系統。對于反射槽波而言，炮點與檢波點布置在同一巷道內，其最大優點是可以開展巷道兩側或掘進工作面前方的小構造探測，反射槽波探測的距離可以達到煤厚的100倍。如果槽波在煤層中傳播時遇到了地震波的波阻抗差異界面，就會產生反射槽波信號，通過分析反射槽波信號就能判斷出煤層不連續體的位置，從而進行地質推斷解釋。但是，目前煤礦井下反射槽波地震探測技術尚不成熟

。

3探測實例分析

在過去的十年里，煤炭資源高效開采技術與裝備發展迅速，煤炭資源高效集約化開采成為未來的一種發展趨勢，其突出特征表現在“一井一面”、全煤巷掘進、綜采放頂煤、超長超寬工作面以及快速掘進等，這就要求煤礦地質工作要能夠滿足大距離、超前探測的要求，透視槽波地震勘探技術可以實現采區、盤區范圍、多個工作面以及超長超寬工作面的超前探測。

3.1超大工作面槽波地震勘探某礦1904N工作面走向長1834m，傾向長317～330m，開采9號煤層(圖2)。掘進過程中共發現斷層14條，其中落差大于1m的7條，未發現巖溶陷落柱。9號煤層厚度3.58m，分為上、下分層，其中夾矸厚0.05～0.27m;煤層上分層平均厚度1.20m。工作面內煤層傾角在21°～36°，平均傾角26°。按照礦方要求，僅對1904N工作面中段1200m的范圍進行探測(圖2虛線范圍)。如果采用煤礦井下有線地震儀施工，至少需要分別鋪設2000m的炮線、通信線和1200m的接收電纜，工作量較大;而采用基于節點式的無纜地震儀進行數據采集，無需布設炮線、通信線，施工效率可以提高3～4倍。經過正演模擬，槽波地震勘探的觀測系統參數如下:回風巷、運輸巷均采用10m接收道距，共布置檢波點258個;回風巷、運輸巷均采用30m炮間距，共布設激發物理點94個。數據采集時，回風巷、運輸巷分別獨立激發，布設在回風巷、運輸巷的所有檢波器同時接收。圖3給出了回風巷激發、運輸巷接收的透射槽波記錄，透射槽波能量較強;圖3左側虛線圈定的范圍內，槽波透射能量較弱，這與運輸巷實際揭露的落差2m是一致的;另外，槽波實際透射距離大于800m。

3.2盤區槽波地震勘探由于透射槽波的探測距離較大，因此利用透射槽波探測技術可以實現大距離的盤區探測，從而通過一次探測可以實現2～4個工作面的構造探測，為盤區范圍工作面的優化設計提供依據。圖4中某盤區包括2個工作面，每個工作面設計走向長度2800m、傾向寬度220m，其上部工作面巷道掘進長度2800m，2個工作面中間的巷道掘進長度500m，下部工作面巷道掘進長度1300m(圖4)。采用節點式地震儀可以靈活布設的優勢，在每條巷道均勻布設炮點與接收點，其中左側2個梯形區域為利用3條巷道聯合透視的控制范圍，而右側三角形區域為僅利用上、下2條巷道的控制范圍。因此，利用透射槽波探測技術可以實現采區、盤區工作面的大距離探測。在煤層埋藏較淺、地形崎嶇、工農關系復雜地區，在地面開展三維地震難度較大，且效果不好。這時，如果借助煤礦井下大距離槽波透視技術，實現盤區構造的精細探測，可以達到事半功倍的效果。

3.3跨層透射槽波地震勘探在高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井以及水害嚴重礦井，在采煤工作面布設前，為了確保安全生產，需要提前開拓瓦斯高抽巷或底板泄水巷，以掩護煤巷安全掘進。在這種情況下，可以從瓦斯高抽巷或底板泄水巷向目標煤層施工淺孔，利用鉆孔布設炮點/檢波點，并結合一條掘進的煤巷，構成跨越空間巖巷—煤巷的三維立體探測系統，實現地質構造的超前探測。

4結論

1)相對于常規的集中式地震儀、分布遙測式地震儀而言，節點式地震儀不需要主機、交叉站、電源站和大線，施工時不需要相互通信，無需布設炮線、電話線，且具備獨立同步施工的能力，是煤礦井下槽波地震勘探的理想儀器。2)節點式地震儀采用“節點式設計、獨立型激發、分布式采集、三通道存儲、集中式回收”的設計理念，較好地滿足煤礦井下地震儀器本安防爆、指標先進、施工快捷等基本要求。3)節點式地震儀靈活、無約束布設的優勢，使得煤礦井下超長超寬工作面、互不貫通的巷道之間以及采區、盤區和煤巷－巖巷跨層條件下的槽波地震探測得以實現。為了更好地發揮煤礦井下槽波地震勘探技術的優勢，今后應該進一步加大反射槽波地震勘探、鉆孔—巷道的透射槽波地震勘探技術與裝備研究。

作者：程建遠江浩姬廣忠吳海單位：中國煤炭科工集團西安研究院有限公司