随掘地震实时超前探测系统的试验研究

煤矿智能化建设要求采用智能化地质探测技术在巷道掘进过程中实时完成掘进前方区域的探测和预报。基于在线式矿井地震监测分站构建的随掘地震实时探测系统能够在巷道掘进的同时,采集以掘进机震动为震源的随掘地震数据,通过光纤网络实时传输至地面服务器的数据库内。随掘地震数据处理软件从数据库中获取当前随掘数据,经过筛选、提取虚拟炮集和偏移成像等步骤对掘进前方和侧前方一定区域进行反射槽波成像。为验证系统性能和探测结果的有效性,在正开展掘进作业的山西榆树坡煤矿5106回风巷内安装随掘地震实时探测系统,对该巷道开展为期数个月的随掘跟踪探测试验,探测系统实时采集随掘地震数据并成像,随着掘进长度的增加,每日的探测结果不断显示5106工作面内存在一条隐伏断层,后期的反射槽波探测和钻探工作验证了该断层的存在。试验结果表明,随掘地震实时探测系统能够在掘进过程中不断利用掘进机激发的地震信号对巷道前方和侧前方区域成像,从而在不影响掘进施工的条件下,实现了巷道侧前方地质异常体的连续跟踪探测和实时监测,达到了智能掘进系统对地质探测能力的要求。      

黏弹介质槽波超前探测数值模拟与波场分析

目前常用槽波超前探测掘进工作面前方隐伏断层,而实际煤层具有黏弹性,对槽波有吸收衰减作用。为研究黏弹煤层介质中槽波超前探测的波场特征和传播规律,基于Kelvin-Voigt一阶速度-应力方程,建立了三维含断层煤系地质模型,进行了三维有限差分数值模拟。结果表明：黏弹介质中反射槽波能量衰减大,其传播与衰减特征比完全弹性介质更符合实际煤层反射槽波传播特征。煤层Q值越大槽波超前探测效果越好,煤层Q值过小时,槽波超前探测效果差,可利用x分量的反射横波与z分量的P-S波超前探测。断层落差小于煤厚时,y和z分量的槽波超前探测效果都较好;落差大于煤厚时,可利用y分量进行槽波超前探测。断层夹角大于60°时,可利用y和z分量进行槽波超前探测;夹角小于60°时,可利用x和y分量进行槽波超前探测。研究结果可为煤矿槽波超前探测提供理论支持。     

随采地震井–地联合超前探测的试验研究

为了对煤矿巷道掘进前方上覆地层的地质异常进行实时超前探测,提出了利用采掘机械为震源、在震源附近布设参考道、在地面接收其透射地震波的井-地联合随采地震方法。在某矿利用采煤机做震源进行了试验,并将试验结果与同一矿井相邻工作面某掘进巷道井下放炮、地面接收的数据做了对比。结果表明:采煤机震源的数据与炸药震源的数据,纵波初至均清晰可辨,能量都较强,横波能量团的可辨识度比较接近。这说明在采掘机械附近布设检波器采集源场信号,在地表布设测线接收透射地震波,能获得与放炮震源相似的地震记录。该技术可用来监视上覆地层在采动过程中的变化,且有潜力实现监控级地震超前勘探。      

煤矿井下随采地震探测技术发展综述

煤矿井下地震勘探的炸药震源受火工品管控影响大,且无法实现煤矿开采动力地质灾害的监测预警;随采地震是以采煤机为震源的地震探测新技术。本文回顾了国内外随采地震技术的研究现状,介绍了随采地震的方法原理和独特优势,并开展了一些先导性的试验研究利用。结果表明:采煤机震源具有激发能量强、频带宽、安全绿色经济、可重复等特点,可以作为随采地震探测的被动震源;采煤机震源与炸药震源的地震炮集记录接近,后者单炮信噪比相对较高;随采地震数值模拟、大数据动态处理等关键技术急需协同攻关。尽管随采地震尚处于试验研究阶段,但是它将成为未来透明工作面三维动态地质建模、开采动力地质灾害监测预警等重要手段,代表了今后煤矿智能探测技术的发展方向。      

TBM施工岩巷掘探一体化技术研究进展与思考

煤矿岩巷全断面掘进机(TBM)施工,是满足集约化、现代化、智能化大型矿井深部高强度开发采掘平衡与高效建设生产的重要方法之一。但是,TBM掘进对于不良地质条件适应性较差,尤其是破碎带、断层、软弱岩层及富水区等复杂地质条件会造成坍塌、卡机、卡盾、涌水等问题,从而限制了其发展。为充分发挥TBM快速掘进效率,将超前探测仪器与TBM机械进行一体化设计,开展随掘探测是煤矿岩巷TBM掘进发展亟需突破的关键技术。从TBM施工岩巷的掘探一体化技术研究出发,回顾了近年来隧道、煤矿岩巷随掘探测技术新进展,介绍了包括随掘地震、随掘电法、随掘瞬变电磁等掘探一体化技术;围绕提高随掘超前探测精度,实现高精度异常体成像,论述了岩巷TBM掘探一体化技术的发展方向,包括超前探测数据采集系统、信号处理方法、巷道界面成像新方法新技术等。认为掘探一体化设备要向自动化、信息化、智能化方向发展,要形成以智能化控制系统为核心的掘进、探测、预报集成化管理平台,实现掘进参数的智能选取、超前探测数据的实时处理与叠加成像,形成掘探一体智能控制与地质条件融合判识系统,为深部煤炭资源的精准开发利用与煤矿智能化建设提供透明地质条件支撑。      

煤矿反射槽波探测技术研究评述

反射槽波可用于单条巷道内探测巷道两侧和掘进前方一定区域内的断层等异常地质构造。目前该项技术已在我国多数矿井开展过探测试验和工程应用,对采掘危险区治理、工作面布置和采掘方案设计等生产环节起到了重要的指导作用。阐述了反射槽波的处理方法和原理,比较了面对巷道的侧帮和掘进前方2种不同探测区域时,反射槽波数据和处理方法的异同之处,着重对反射槽波的叠加成像、偏移成像以及掘进工作面超前成像3类成像方法的技术原理、适用条件和研究进展进行了梳理和分析,总结了反射槽波在巷道侧帮与掘进前方断层、采空区以及陷落柱探测方面的典型案例。在此基础上提出进一步提高探测能力的改进方向：研究适用于槽波频散性的反褶积方法,有效压缩反射槽波并依据频散速度准确偏移归位,提高成像分辨率;通过极化处理求出槽波的偏振方向,从而减少“画弧”现象;借鉴束偏移技术,选取特定方向的槽波参与成像,提高成像信噪比;研究影响反射槽波信号强弱的地质条件和采集条件,在不增加震源能量的条件下有效增强反射槽波;研制新型震源,提高反射槽波探测应用的安全性和适用性。对反射槽波未来的应用方向进行展望,以期促进反射槽波探测技术发展,为煤矿安全高效开采提供保障。     

矿井分布式地震超前探测系统研究与应用

为探测掘进巷道前方地质构造，研制一套矿井分布式地震超前探测系统。系统基于地震波反射理论，通过检波器分布式接收或震源分布式激发确定地质异常体的位置。为了进一步提高煤矿采掘过程中构造的预测预报精度，采用分布式观测系统和孔中胶囊检波器进行数据采集以提高设备的灵敏度，通过负视速度原理排除侧帮和后方地质异常体的干扰，利用绕射共偏移算法优化数据反演成果。经过大量试验验证和归纳总结，该系统采用人工锤击震源可有效探测出前方70 m范围内的地质异常信息，采用人工炸药激发震源可有效探测出前方150~200 m范围内的地质异常信息。研究结果表明，矿井分布式地震超前探测系统通过从硬件到软件优化，可实现采掘过程中对地质构造的探测精度，并提高探测效率。      

反射槽波探测技术中速度分析方法研究

在巷道掘进过程中,利用反射槽波探测技术探查巷道侧帮构造发育情况,并准确解释槽波波阻抗反射界面的位置对矿井生产意义重大,但现阶段反射槽波地震解释断层的位置常存在偏差,主要原因是数据处理阶段选取速度存在较大误差。为降低反射槽波速度选取误差,系统分析国内13个煤矿15个煤层的槽波速度特征,总结出反射槽波速度与直达槽波、透射槽波速度的关系。研究发现反射槽波速度高于直达槽波速度3%~12%;低于透射槽波速度1%~6%。将其研究成果引入山西某矿反射槽波探测项目,槽波解释断层位置与探巷揭露位置偏差仅为3 m,取得了较为理想的应用效果。该研究为进一步提高反射槽波探测精度提供了新思路。      

随采地震噪声衰减研究

鉴于煤矿井下环境的封闭性及对安全生产的高要求特点,炸药震源在煤矿井下地震勘探施工中存在众多局限性,而以采煤机作为震源可以规避炸药震源的许多固有缺陷,具有可以在不影响回采工作面正常作业的情况下对工作面内部构造及应力开展实时探测的优势。但由于采煤机产生的能量远小于炸药震源,因此采集到信号的质量通常受到环境噪声影响,通过分析大量实际数据发现噪声中能量占比较多的为单频噪声和随机噪声,严重影响探测精度。为提高随采地震数据信噪比,提出了同时衰减单频噪声和随机噪声的方法,首先基于互相关技术在构建常规炮集记录的同时衰减单频噪声,然后通过小波变换衰减随机和残余单频噪声,通过模拟数据和实际数据证实,该方法可以在很大程度上提高信号的信噪比。      

矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用

龙东煤矿区内构造较为发育,可采或局部可采煤层为7、17、21号煤层,为查明21煤试采区巷道前方断层、破碎带的发育程度及导水状态,采用矿井地震超前探测技术进行了超前探测,测线布置在回风巷左帮上,共设炮点20个,利用两个三分量传感器C1、C2接收。对采集数据进行波场分离、反射波提取、叠前偏移成像等核心技术处理,得到SV波深度偏移处理结果图,从中提取了5个异常界面,分别位于迎头前方22.5m、40.5m、54.5m、64.5m、98.5m,结合地质资料,解释为小断层。根据现场掘进实测剖面资料,矿井地震超前探测技术在龙东矿探测的异常界面准确,其界面距离最大误差率小于10%,表明该技术在掘进迎头前方100m范围内可以有效探测断层等地质构造。     

矿井反射槽波包络叠加成像方法及其应用

槽波在遇到断层等不连续断面时,会产生反射并被与炮点位于同一条巷道内的检波器接收到,据此可以探测巷道侧帮地质异常发育情况。通常情况下反射槽波能量较弱,信噪比较低。为提升反射槽波信噪比,以山西阳泉煤业集团某矿201工作面为例,将包络叠加方法应用于反射槽波探测,并通过断层模型三维槽波数值模拟以及实际探测资料的验证,证实了包络叠加成像方法的有效性。      

透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法

槽波勘探是煤层工作面小构造探测的主要方法之一,该方法主要是利用槽波的能量衰减特征。当检波器的耦合差或工作面存在较大地质异常时,会显著影响槽波在不同频段上的能量分布,降低槽波探测结果的稳定性和准确性。利用槽波信号的质心频率变化特征进行反演成像是一种创新且有效的方法,但该方法存在震源质心频率准确估算及兼顾震源差异性的难题。为此,提出基于透射相邻道槽波信号,估算其质心频率相对变化量的层析成像方法。基于理论分析,推导出相邻道槽波质心频率相对变化量(M_i)的计算公式;采用二维数值模拟方法,验证槽波M_i值与传播距离的正向线性变化规律;通过槽波实测试验,对比分析了相邻道质心频率成像方法的效果。结果证明,槽波信号存在频移现象,槽波相邻道M_i值层析成像方法是有效,该方法克服了震源差异性和震源质心频率人为选择不当对成像结果造成的影响,为槽波勘探数据处理提供了一种新的思路。      

浅层地震横波技术在工程勘察中的应用

本文提供了地震横波反射法及横波速度在工程勘察中的应用实例。采用横波反射技术开展地下各类工程地质的探测与研究,具有波速低、波长小、不受潜水位的影响、波形可极化以及抗干扰能力强等特点。这种尝试对拓宽地震勘探服务领域十分有益。     

天然源槽波勘探的可行性研究

常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,迫切需要一种新型非炸药震源的槽波勘探方法作为替代。基于此,开展了矿井中天然源槽波勘探方法的可行性实验研究。通过理论分析和数值模拟实验,论证了煤层具备天然源槽波发育的地球物理基础。通过构建“三随机”天然源槽波模型,即震源的空间位置随机、震源初始激发时刻随机和震源的振幅随机,成功实现了天然源槽波的时间域数值模拟实验。采用相移法对天然源槽波数值模拟数据进行了频散谱计算,结果具有明显的频散特征。数值模拟实验结果证明了理论模型中天然源槽波的存在,且基阶和高阶形态均发育。在安徽淮南某煤矿工作面进行实测实验,成功采集到天然源槽波三分量数据,对实测数据进行频散谱计算,结果表明3个分量均具备频散特征,其中X分量频散曲线能量脊较为清晰,达到了验证天然源槽波存在的预期目标。总的来说,数值模拟结果表明天然源槽波的地球物理基础和形成机理是正确的,现场实验结果证明了天然源槽波在煤层中自然存在,该方法在矿井地质勘探中具有可行性和潜力。     

透射槽波技术在煤田勘探中的应用研究

槽波地震勘探技术可以有效探查煤层中小断层、陷落柱等地质异常体,在探测精度和距离上明显优于其他煤矿井下勘探方法。透射法作为基本的槽波地震探测方法,具有简单灵活、探测范围大、准确率高等优势。采用透射槽波方法对实际煤矿工作面内断层构造进行探测研究,通过滤波、频散分析、波场及速度分析、能量分析以及透射CT成像等关键技术对实际透射槽波数据进行精细处理,获得准确的透射槽波成像剖面。根据槽波在煤层中受到断层阻断或遇到煤层破碎时其能量将急剧降低的特征,利用透射槽波能量CT剖面,并结合实际揭露情况,解释出12条可靠断层。通过实际煤层工作面透射槽波勘探方法测试,验证了透射槽波方法的有效性以及在煤田断层等构造探测中的实用价值。     

槽波技术在阳泉矿区地质异常体探测中的应用研究

通过回顾近几年槽波地震探测技术在阳泉矿区的发展历程及应用情况,总结阳泉矿区槽波发育特征,详细分析阳泉矿区发育的断层、陷落柱等地质异常体的槽波探测效果,并对各区域矿井槽波特征进行总结,针对发育不同构造的矿井,分析总结相应的槽波传播规律和解释方法。结果表明:槽波探测工作面在阳泉矿区达到200多个,在15号煤层探测应用最多,达到58个工作面,主要解决断层、陷落柱、挠曲、顶底板破碎带等地质异常体的探测问题,探测结果总体准确率在82.2 %以上;阳泉矿区槽波发育特征:3~6 m煤厚槽波发育中等至良好,煤厚小于2 m的晋南地区,槽波发育一般;槽波Airy相速度960~1 000 m/s,不同地区速度相差不大;Airy相频率与煤厚相关,煤层越厚,Airy相频率越低;相同煤层中,槽波Airy相速度与频率相差不大;根据回采验证情况,不同煤层及地区,探测效果差别较大;对槽波探测不同地质异常体的问题,从数据采集、处理与综合解释上给出了建议;今后需进一步加强槽波对构造煤、瓦斯富集区、应力异常等地质灾害的探测研究,深化槽波在地质保障领域的应用范围,为矿井安全生产及工作面透明化提供可靠的地质保障。