地震超前探测技术在老窑采空区探测中的模拟与应用

巷道前方的地质异常与巷道内地震测线存在角度关系,依据地震超前探测原理,其反射波时距曲线为一直线且呈现负视速度特征。据此建立一采空区地震超前探测模型,以研究采空区条件下检波器后置观测系统的地震波场传播特征。通过对全空间地震波场的分析发现,距离震源越远的检波器越先接收到迎头前方异常界面的PP波与S-S波,为此采用τ-p域滤波或F-K域滤波对地震波场进行分离解释。以山西临汾某矿井2号煤层老窑采空区超前探测为例,通过反射波提取、绕射扫描及叠加偏移对巷道前方进行成像,解释迎头前方35m处存在异常,经钻探验证其为老窑采空区,取得了较好的应用效果。     

井下直流电法超前探测技术及其应用

矿井直流电法超前探测技术是一种全空间电法勘探技术。它以岩石电性差异为基础，在全空间条件下建场，应用全空间电场理论处理和解释有关矿井水文地质问题。可广泛用于解决煤矿井下巷道掘进头前方100m距离范围内含水裂隙、岩溶、断层、陷落柱、老空区、火烧区等异常地质体的探查问题。井下直流电法超前探测技术是利用体积效应进行探测系统设计和资料处理的，采用点源三极装置进行井下数据采集工作，无穷远电极对巷道内测量电极的影响可以忽略不计，因此其探测数据包括了巷道及其围岩影响在内的全空间范围内岩石、构造等各种地质信息。     

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。      

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。     

煤矿井下随掘地震震源特征及探测性能研究

煤矿智能化背景下,随掘地震已经成为掘进工作面安全掘进的地质保障关键技术之一,可实时、超前、精细探明掘进前方的隐蔽地质构造,如采空区、断层、陷落柱等,有效促进掘进生产安全高效。不同于广泛采用的反射槽波超前探测技术,随掘地震采用了掘进机掘进时震动信号作为激发源,替代了常规地震勘探中的炸药震源,具有震源绿色、安全、成本低、可重复、探掘同步等优点。由于掘进机震源在激发方式、能量、频率、带宽等方面与炸药震源差别较大,因此其探测性能受到很多关注。从随掘地震的震源机制、波场特征、传播距离、成像准确率等方面进行研究,详细分析其探测性能,认为随掘地震波场中槽波和横波发育,可利用槽波或横波进行超前探测;Y分量具有更好的信噪比优势,但在实际应用时考虑到反射面的走向,相同设备量情况下,Z分量更有优势;随掘地震的直达横波传播距离可达700 m以上,横波超前探测距离可达到300 m以上;随掘地震的直达槽波传播距离可达400 m 以上,槽波超前探测距离可达到170 m以上;常规掘进速度下,反射波叠加次数可达到16次,相比常规的一次探测,信噪比可提升4倍,有效提高了探测精度和准确度。后续将通过大量的随掘应用数据进一步修正随掘地震技术的性能参数。      

基于克希霍夫偏移的槽波超前探测方法及应用

为查明邢台矿区葛泉矿1199工作面掘进巷前方地质构造,采用井下槽波地震进行超前探测,用线性拉东变换提取来自巷道前方的反射波,在时间域内进行速度分析获得围岩参数信息,通过克希霍夫偏移对巷道前方地质异常体成像。结果显示,掘进巷前方距离G12检波点205 m与237 m存在异常,分别对应采空巷道与SF4断层;通过速度分析提取速度参数,初步判断SF4含水。钻探验证结果表明,克希霍夫偏移方法能对掘进巷前方断层异常体进行成像。      

MSP技术在任楼煤矿巷道超前探测中的应用

煤矿巷道中的断层、陷落柱和煤岩体结构破碎带等不良地质条件不但影响掘进施工,同时也存在突水、瓦斯突出等安全隐患。断层、陷落柱等地质异常构造与围岩在密度、速度等物性方面存在较大差异,因此可利用多波多分量地震反射法探测煤矿井下异常构造。近两年来,任楼煤矿针对矿井巷道前方的未知隐伏构造做了多次MSP震波超前探测。以Ⅱ7322机巷为例,在巷道j19点前76m处,分别于巷道的左帮及右帮对迎头前方进行了两次超前探查,2次探测解释的2个异常界面位置分别为82m、101m和85m、102m,实际揭露2个断层位置为82m、109m,探测结果与实际基本相符,实现了对掘进巷道内地质构造带的准确超前预测预报。     

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...     

隧道超前地质精确预报

采用探地雷达进行隧道掌子面前方的地质超前预报,并配以孔内探头进行探测,在发现掌子面前方有异常结构面或异常体时对异常体进行准确定位,使预报的精度大大提高。文章还介绍雷达进行超前地质预报探测的现场工作方法,重点介绍孔内雷达的解释方法。     

煤矿复杂地质条件精细预测预报技术及应用

三维地震勘探信息挖掘不足及与矿井采掘地质信息脱节是矿井地质保障工作中存在的普遍现象。针对影响郭家河煤矿安全生产的主要地质问题,利用采区三维地震勘探成果和矿井采掘信息的集成和融合,对煤层厚度、地质构造、水害等矿井地质条件进行精细预测预报研究。建立了以矿井开采和测井资料为约束条件、多参数反演煤层厚度的综合预测技术,使煤厚预测准确率提高15%;采用地震属性融合技术提高小构造的识别能力,预测地质构造准确率提高30%。基于三维地震信息识别含水砂体的空间分布,建立了充水含水层富水性层次分析结构模型和水害危险性地质预测方法。研究成果对复杂地质条件煤矿的安全高效生产提供了低成本但有效的地质支撑。     

随采地震数据处理软件开发与应用

以采煤机作为震源的回采工作面随采地震探测技术是获取精准开采地质条件、提高工作面内部地质异常体探测精度、实现无人/少人化智能开采的关键,具有广泛的应用前景。而常规的地震数据处理软件不能满足随采地震数据实时、连续不间断、大数据量等要求。通过分析随采地震探测技术的数据处理软件的需求,提出了分层、多任务的随采地震数据处理软件（SWM）的框架体系,并详细介绍了软件框架中各层、各任务的组成成分及其功能。该系统集数据管理、数据展示、数据处理和成果展示于一体,满足随采地震数据实时、连续及大数据量的需求。      

透明地质保障技术构建方法

煤炭地质保障技术贯穿于煤炭工业的全生命周期,是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提,在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用,而地质透明是提高智能分析与决策、自动精准控制与高效采煤能力的关键核心任务。以乌海矿区为例,为解决矿区智能化建设面临的地质条件复杂、透明地质保障能力薄弱的问题,采用以随掘地震、随采地震为代表的智能探测技术,获取采掘工作面实时地质数据;通过构建数据底座,利用多源数据融合技术,实现海量地质数据的融合分析;基于多源数据融合结果,构建三维地质几何模型和水、火、瓦斯等多属性模型,利用实时地质数据驱动模型更新,实现构造、水、火、瓦斯等隐蔽地质规律与分布特征的数字化表达。以地质模型为基础,融合地质异常体空间位置、几何大小、属性信息等,构建透明地质保障系统,实现隐蔽致灾因素的地质预报,为煤矿安全高效开采提供智能决策。研究成果为实现乌海矿区煤炭智能化开采提供地质保障,对于推动全国煤矿智能化建设具有重要的借鉴意义。      

我国煤矿地质保障系统建设30年:回顾与展望

地质保障是煤炭安全、高效、绿色开采不可或缺的基础。综述了我国煤矿地质保障系统建设30年来在保障内涵、基础理论研究、技术与装备研发等方面的主要进展。较为系统地分析了煤炭绿色智能开采背景下地质保障系统建设面临的5方面技术难题:地质信息采集与解释的智能化水平不高,静态地质条件探查精度较低、综合研究程度不高、超前预测可靠性亟待提高,动态地质信息实时在线监测方法单一、致灾响应评价技术标准缺项,地质信息管理与多源异构信息融合的技术水平不高,三维地质模型精度不能满足智能开采对地质透明化的要求。指出煤矿地质保障系统未来应以精准地质预测为目的,以实现地质透明为目标,以精细地质探测和精准地质表征为突破口,重点在以下方向攻关:(1)以建立具有矿井地质特色的全空间地球物理场多参量响应模板为目标,不断加强矿井物探的应用基础研究。(2)低空无人机与智能机器人在地质探测和监测数据采集中的先导性示范研究。(3)加强矿井地质体赋存与分布规律和采动覆岩变形规律研究,探索精准辨识“地质异常”的方法,研究基于矿井地质与工程特色的智能开采地质条件定量描述和分区综合预测评价的理论与方法。(4)多源多维异构地质数据体交换格式与建库...     

孔—巷联合随采地震相关时差层析成像

煤矿井下回采工作面随采地震技术将采煤机作为震源,实现了动态精准、绿色智能探测的技术构想,可用于工作面内部静态地质异常体与开采动力地质灾害的超前探测。针对常规随采地震观测系统存在的成像盲区问题,提出孔–巷联合的随采地震观测系统设计方案,有效提高成像范围;基于地震干涉原理,采用频率域相关算法,对随采地震信号进行脉冲化处理,获得随采地震等效炮集;为解决随采地震CT层析成像中绝对走时难以获取的问题,提出直接利用相关时差进行CT层析成像的方法,求解过程中无需计算发震时刻,降低对初始速度的依赖。理论模型和实际资料测试结果表明:孔–巷联合观测系统有效扩大了成像范围;基于相关时差的随采地震层析成像方法可以对工作面内部进行速度成像,实现对静态地质异常体的探测;利用随采地震连续监测、动态成像的特点,还可实现对工作面内由于采动引起的应力集中区的实时动态监测,对工作面安全监测更有意义。      

基于孔间地震细分动态探测的透明工作面方法

透明工作面是煤矿智能开采的重要组成部分,为智能开采提供工作面的详细地质构造信息,提出一种基于孔间地震密集动态探测的透明工作面方法,能够实现工作面的渐进式精细探测。该方法是以采煤机为震源的随采地震方法的进一步发展,主要利用平行于切眼的一系列水平孔对工作面进行细分探测,随着采煤工作的逐渐推进,利用孔间地震方法对细分区域进行精细成像。与已有的随采地震方法比较,本方法具有明显的优点。首先,射线覆盖更加均匀且无盲区。第二,探测区域被细分所以探测精度更高。第三,因为利用地震干涉的"虚"震源方法能得到高信噪比的单炮,可进一步提高探测精度。该方法能够适应智能开采透明工作面的目标要求,有望成为智能开采的重要组成部分。      

采掘工作面地质信息数字孪生技术

矿井地质透明化是智能化煤矿建设的基础,三维地质建模是实现矿井地质透明的重要手段,以往采掘工作面地质建模存在插值算法不符合地质规律、多源异构地质数据融合程度低,以及煤矿生产装备与地质信息耦合少等问题。提出煤矿采掘工作面地质信息数字孪生的概念,采用离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation,DSI)算法,利用钻探数据及地震构造解释数据地质建模,建立DSI平行相似约束后迭代计算得到的地质综合模型。开发了三维地质建模软件,实现了点(地质点)、线(地质界线、地层界线)、面(三维地质界面)、体(封闭地质体)4种地质对象的构建,在体对象基础上开发了立方网功能,基于区域统计学算法对体对象内的空间数据进行属性插值。使用建模软件构建掘进、回采工作面数字孪生的地质模型载体,接入微震监测系统、电阻率监测系统、随掘地震监测系统、随采地震监测系统实时监测数据,实现工作面地质信息数字孪生,反映采掘扰动下的地质变化;为煤矿掘进生产提供基于地质模型的场景仿真和掘进规划巷道断面曲线下发,指导掘进机自主掘进,提供掘进前方地质异常距离预警,保障掘进地质安全;为回采工作面提供基于地质模型的场景仿真和规划截割曲线,指导采煤机自主规划截割,提供回采前方地质异常构造位置、应力集中区位置距离预警,提高回采工作的安全性。该技术在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿进行了应用,为安全、高效采掘工作提供地质保障。      

随采地震监测数据采集控制软件开发

随采地震能够对工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报,成为近几年的研究热点,但是目前还没有能够在煤矿井下开展随采地震长期连续监测的装备及配套软件。为了解决这个问题,基于Microsoft Foundation Classes（MFC）开发框架,开发了一套随采地震监测数据采集软件,在室内、野外进行了为期3个月的联调测试,并且在贵州岩脚煤矿与井下随采地震监测设备开展了为期3个月的全面试运行。测试表明,软件实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和处理软件的实时通信功能,具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护、无人值守等优点。      

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。