煤礦井下掘進工作面構造超前探測技術應用

趙云峰

（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、斷層引起的煤礦安全事故越來越多，這是因為在巷道掘進過程中前方很難清楚地探明煤層附近可能存在的斷層等地質構造的性質、空間方位以及附近巖石的特性[1-2]。在板集煤礦回風巷掘進過程中遇到很多影響工程進展的情況，因此項目施工人員需要探明前方地質特征，避免可能發生的煤與瓦斯突出、突水、頂板塌落等地質災害[3]。為了解決以上地質問題，板集煤礦采用DTC-150超前探測系統，提前探明前方的地質狀況，通過超前探測系統的預測，了解回風掘進巷地質狀況，合理安排工作進度，修改工作計劃，提高施工效率，減少工作成本[4]。

1 超前探測地震波理論

1.1 地震波基本類型

地震波在巖石中傳播，實際上就是巖層中粒子的彈性形變的傳遞。按照彈性形變的基本類型或巖石質點振動的不同形式，地震波可分為以下兩種：

（1）縱波（P波）。當彈性介質中的某一部位受到外力作用發生變形時，由于變形與法向應力的互相作用，使質點產生振動，這種振動的現象是各質點之間膨脹或者壓縮，使這樣的振動沿整體巖層傳播出來，即生成膨脹和壓縮相互交換的P波。

（2）橫波（S波）。當理想巖層中的某一位置受到外力作用產生切變時，因為切變和切向應力的相互作用，也會讓質點產生振動。這種振動的現象是在不同平面上各質點往返滾動，讓這樣的振動沿著整體彈性巖層傳播出來，即生成S波。

1.2 波的反射、折射和透射現象

（1）反射波

地震波在巖層中經過反射形成的一類波叫反射波。當波由介質1射入到介質2的分界面時，就會發生反射與透射現象。第一種介質的波阻抗為ρ1v1，第二種介質的波阻抗為ρ2v2，如果滿足ρ1v1=ρ2v2，波就會出現反射現象。

反射系數R等于：

式中：ρ1v1、ρ2v2分別為分界面上下兩種介質的密度和速度乘積，即介質1和介質2的波阻抗。

（2）透射波

地震波沿地層傳播遇到兩種不同介質的界面時，一些波經過反射返回到原介質中形成反射波，而另外一些波則透過分界面形成透射波。透射波和入射波需要滿足透射定律，即

地震波滿足層狀介質中的傳播規律，P為射線參數，有以下恒等式：

透射系數：

當v1≠v2，才能形成透射波，在入射波能量不變的前提下，反射波的振幅與透射波成反比。

（3）折射波

如果v2＞v1，透射角的角度大于入射角。入射角如果繼續變大，透射角同時會一起變大。假如入射角增大到一個角度i的時候，可使透射角β=90°，即

這時透射波以v2速度沿界面運行，入射角i為臨界角，A為臨界點。這時只要已知v1、v2就可利用i=arcsinv1/v2求出臨界角i。

2 超前探測試驗

2.1 煤礦礦井地質構造概況

板集煤礦主要采用走向長壁傾斜分層人工假頂采煤，采煤的主要方式是綜采工藝。該礦是單一煤層開采，二疊系山西組二1煤層是主要開采煤層，煤層穩定且結構簡單，煤厚平均為4.9 m。

從煤層形成到三疊紀末，礦區內斷裂還沒有形成，此時產生的氣體能夠被保存下來。構造應力的方向是NWW-SEE，形成了一系列NNE方向的壓性逆斷層，對瓦斯的釋放作用較小。早白堊紀到始新世時期，區域應力場變為NE-SW方向拉伸作用，原來的NE向逆斷裂反轉為正斷層，此時的NE向斷層變成了瓦斯運移的通道，瓦斯得到了大量地釋放。新構造作用時期，應力場的方向為NEE-SWW向，近東西向斷裂反扭拉張，使煤層與奧陶系灰巖連接，構成氣體運移的通道。整個礦區的地勢很平緩，傾角在10°左右，走向為北東—北北東，傾向南東向。地質構造主要以斷層的方式呈現，褶曲發育比較少。

井田內中小構造特征及分布規律：

井田內已揭露斷層均為正斷層，走向多為東西向及北東向，傾角從30°～75°不等，斷層附近巖、煤層垂直節理發育，頂板多有揉皺現象。

褶曲總體特征表現為寬緩的構造形態，向、背斜軸間距150 m左右，局部出現小褶曲，頂板滑動面發育，巖、煤層強度受到影響，給煤層開采帶來負面影響。

2.2 DTC-150超前探測設備介紹

DTC-150防爆地質超前探測儀工作原理（圖1）為三分量反射地震方法，設備主要由主機、信號盒、傳感器等組成。

圖1 探測原理圖

2.3 回風巷掘進工作面現場試驗

在進行礦井掘進面超前探測過程中，信號的收集是整個試驗的基礎，也是第一階段的工作，其目的是為數據處理和解釋提供第一手信息。第一手資料質量的高低，將直接影響到軟件處理的精度和后期成像解釋的準確度。試驗現場布置圖如圖2。

圖2 試驗現場布置圖

（1）震源布置

現場試驗共標有24個錘擊位置，從掘進面向后，在巷道側幫標記。第一個錘擊點距掘進面退后5 m，高1 m，其他23個錘擊點以同樣高度，間距1.5 m向后依次布置。

（2）接收孔布置

接收器孔數量為1個，布置在巷道左側或者右側壁，直徑為42 mm，深度為1.5～2 m，距第24號炮孔18 m，高度1 m。方向：垂直打入巷道一側內，水平于巷道走向；高度：大約距離地面1.0～1.5 m；位置：大約距離巷道掘進面55～57.5 m。

（3）接收器位置布置

在信號接收之前，應先檢查傳感器橡膠管與接收孔以及煤巖之間的耦合情況，并檢查橡膠管末端表面是否有機械損傷，是否能正常使用。為了使傳感器固定且牢固，應采用打氣筒向接收器橡膠管內注氣，然后確定接收器是否與煤巖耦合，將傳感器通過電纜連接到DTC-150主機。

（4）震源的激發

在原來標記過的震源位置進行銅錘擊打，遇到不平整的煤壁需要用到銅管墊片，將墊片放在煤壁上，然后用銅錘擊打點墊片。

3 超前探測試驗結果

3.1 縱橫波速度分析

孔隙度是影響波速大小的一個重要因素，為了更好地講明地震波的傳播速度與巖石的孔隙度之間的關聯，1956年Wylie等人提出了時間平均方程，該公式為：

式中：v是地震波速度；vm是巖石骨架的地震速度；vL是充填物質的波速度；φ為巖石的孔隙度。

地震波在巖石中傳播時，實際上是在巖石孔隙和巖石顆粒兩種介質中傳播，波速與孔隙度成反比。

煤巖體發生構造運動時，應力作用會使煤巖孔隙度增加，巖石密度減小。巖石介質中孔隙度上升，會導致縱橫波速度下降。當地震波在巖石中傳播時，波速度減小時，則可以推斷出煤巖孔隙度變大，煤巖可能發生斷裂。

根據縱橫波速度的變化圖圖3可知，縱橫波在煤巖傳播的過程中，縱橫波速度有變小的趨勢，說明前方遇到煤巖破碎。在65～74 m處，縱橫波速開始變小。縱波波速代表的巖石級別由優變為中等，巖石的性質特征由完整變為了破碎。在138 m處開始，波速也在呈減小的趨勢。巖石級別由優變差，巖石破碎。這說明在這兩處煤巖性質發生了變化，有可能會有構造的出現。

圖3 縱橫波速分析圖

3.2 密度方面分析

從整體圖4可以看出：縱橫波速度隨著密度的增大而增大，隨著密度的減小而減小。

圖4 密度與縱橫波的關系

從實驗室得到的結論可知，聲波的速度和巖石密度之間有著非線性的正相關關系，縱橫波速度隨著巖石密度的減小而減小。煤巖密度在掘進面前方65～74 m的范圍內出現了減小現象，說明聲波波速在此范圍內是減小的，煤巖的密度也是減小的，可以得出此范圍的煤巖較前面相比，比較破碎。在掘進面138 m左右也出現了煤巖密度急劇減小的現象，說明此處有構造的形成。

3.3 縱橫波速比和泊松比分析

煤巖密度隨著埋深的增加而增大，煤巖孔隙度隨著埋藏深度的增加、壓力的增大而減小，而橫波主要是通過巖石骨架傳播，故橫波的增加量要遠大于縱波的增加量，使得縱橫波速度比值減小，泊松比也隨著減小。反推隨著巖石孔隙度的增大、密度的減小，橫波沿煤巖骨架傳播時，橫波波速的減少量要大于縱波的減少量，使得縱橫波速度比值增加，泊松比也會隨著增大。泊松比與縱橫波速比分析圖如圖5。

圖5 泊松比與縱橫波速比分析圖

在超前探測結果分析中，縱橫波速度比與泊松比之間存在正相關關系。在掘進面前方65～74 m處縱橫波速度比和泊松比都增加，說明此范圍內煤巖孔隙度增加，煤巖體裂隙發育，煤層破碎。在掘進面前方138 m左右p/s波速比急劇增大，泊松比也急劇增大，可以判定此范圍內存在裂隙。

4 結論與展望

（1）分析了DTC-150超前探測系統中數據采集過程中的各個參數的設置問題，并且可以針對不同的地質情況采用不同的參數。

（2）通過對DTC-150超前探測系統在板集煤礦的應用研究，結合揭露后的地質情況綜合分析，證明超前預報系統在煤礦生產中地質預報的精準性。根據超前探測的結果，驗證了板集煤礦回風巷掘進工作面的地質情況，成功地探測出了回風巷掘進工作面前方那個100 m以內煤層破碎帶和斷層。

（3）DTC-150超前探測系統存在著一些缺點，對于地質構造空間位置的準確預測還有一定的難度，這需要通過大量的實踐來進行研究驗證。由于沒有進行多地實測，只能從定性的方面分析了誤差存在的影響因素及提高準確性的辦法，沒有進行數量上的實際探測分析，應該多找幾個礦區對試驗的結果進行佐證。