密度大与规模小陷落柱工作面透射槽波探测应用

密度大与规模小陷落柱工作面透射槽波探测应用
李俊堂;吴国庆;牛跟彦
【摘要】山西某矿工作面内小陷落柱较为发育,且密度较大,极易在回采前被漏测,抑制了工作面的正常回采,给矿井安全生产带来潜在威胁.利用具有较高的射线覆盖次数,多方位的射线观测方式的透射槽波方法进行探测,并采用CT成像技术解释.结果表明:透射槽波可以比较准确地探测工作面内陷落柱的边界和位置.
【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2018(046)0z1
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】透射槽波;小陷落柱;CT成像
【作者】李俊堂;吴国庆;牛跟彦
【作者单位】阳泉新宇岩土工程有限责任公司,山西阳泉 045000;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】P631
陷落柱是我国华北煤田开采中最常见的一种典型地质异常体，尤其以山西省汾河沿岸、太行山西坡一带最为突出[1-2]。

在矿井生产过程中，陷落柱严重影响了煤炭资源的高效开采，大幅度降低了掘进和回采成本，最为严重的是多个小规模陷落柱多点成线，连接含水层，诱导矿井突水，直接威胁着采矿人员的生命安全[3-4]。

因此，在工作面回采之前，采用有效的物探方法探查工作面内密度大、规模小的陷落柱边界和位置，为矿方分析是否存在导水通道提供地质依据，对于工作面的安全、高效回采具有重大意义[5-7]。

透射槽波探测方法就是利用工作面进回风顺槽及切眼，在煤帮上激发地震波，通过采集来自不同位置激发的透射槽波信息，依据透射槽波遇到地质构造时其振幅、能量、频率等特征会发生相应的变化(能量减弱)。

从接收的槽波数据中，利用CT层
析成像技术，对工作面内的地质异常体进行成像，可以查明异常体的位置和边界[8-10]。

煤层与顶底板岩性相比，速度和密度均具有较大差异。

在煤层中人工激发地震波，在传播至煤岩分界面的时候会形成全反射，地震波能量被禁锢在煤槽中间，沿煤层传播，就形成了透射槽波[8-11](图1)。

回采工作面U型巷道的三个煤帮中，在其中任意一帮进行激发，另外两帮进行接收，通过采集三个煤帮的透射槽波数据，分析透射槽波能量的衰减情况，交汇成像，探查工作面内陷落柱的位置和大小[12-15](图2)。

山西某矿15103工作面走向长度750 m，倾斜宽度195 m，主采太原组15号煤层，煤层平均厚度5.84 m，平均倾角3°，煤层赋存稳定。

顶板为泥岩，局部为砂质泥岩、粉砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。

工作面内进风顺槽305~350 m处揭露陷落柱1个(X63)；回风顺槽390~420 m处揭露陷落柱1个(X45)。

依据已有地质资料综合分析，工作面所在采区陷落柱密度较大，约30个/km2，
平均长轴直径约50 m，呈现出密度大，规模小的特点。

由于15103工作面缺乏
相关的地质资料，陷落柱的发育情况未知，因此矿方采取透射槽波方法，探查工作面内陷落柱的位置和大小，平面位置见图3。

为了探明15103工作面内陷落柱发育情况，采用透射槽波法进行探测。

为了获得
较好的探测效果，采取尽可能增加单位面元内槽波品质的针对性措施。

工作面走向
长度750 m，采用较小炮点间距则可以获取数量较多的槽波记录；工作面内小陷
落柱密度极有可能较大，将会对槽波的形成与传播造成一定的影响，很难保证每一炮都可以形成品质较好的透射槽波，因此可以选择增加炮点数量，确保单位面元内有较高的品质透射槽波；工作面陷落柱比较发育，且密度较大，陷落柱三带相互影响，为了确保炮点都在煤层中激发，进行了激发炮孔深度研究，较浅激发(低于1 m)炮孔位置处在煤层松动圈内，较深激发(高于3 m)炮孔位置极有可能处在陷落
柱三带边界内。

综合考虑以上因素，设计接收道距10 m，激发炮距10 m，孔深
2 m，药量300 g，网格5 m×5 m的观测系统，共完成有效炮点84个，每炮
164道接收。

图4为射线密度图，图5为工程布置图，可以看出：工作面中部射
线密度最高，满足精度需求。

槽波波场的分析可以确定探测区域内的速度分布情况，频散分析可以建立起槽波速度与频率之间的相互关系。

在准确的频率范围内选取恰当的槽波速度，可以准确地反演出陷落柱的位置及边界[8-11]。

工作面的单炮数据经过预处理后如图6所示，槽波记录对陷落柱反应明显，煤层
正常区域槽波记录连续性好、能量强，构造分布区槽波能量明显减弱或缺失。

对槽波数据进行频散分析后(图7)得出，该区5.84 m煤层厚度的槽波的主频为130 Hz，速度为1 000 m/s。

分析处理了整个工作面内84炮的槽波记录，采用层析成像技术进行CT成像，求
取每一个网格内的槽波能量变化情况。

总体成像结果表明，工作面内存在10个地质异常体。

分析成像区域内槽波能量差异，最终推断出地质异常体的边界，如图8所示，其中红黄色区域为槽波能量异常区，蓝色区域为正常区。

结合采区相关地质资料和槽波能量分布情况，将10个地质异常体都解释为陷落柱，图8中黑色实线圈定区域为槽波解释的陷落柱边界。

其中5#(X63)、7#(X45)陷落柱已经揭露，CT成像结果与巷道揭露大小基本一致，
说明分析处理选择的槽波频率、速度比较准确，工作内的槽波地质异常位置及大小可靠性高，槽波探测同时又可以解释陷落柱在工作面内的影响范围。

1#、2#、3#、4#、6#、8#、9#、10#位于工作面内部，规模最大为2#陷落柱，长轴直径80 m，规模最小为6#陷落柱，长轴直径20 m。

1#、2#陷落柱在CT成像结果中呈现为一个异常区，但因为存在两个比较严重的能量损失区域，因此解释为2个陷落柱。

总体而言，透射槽波方法能够比较准确地探测出工作面内陷落柱的位置及边界，尤其是对工作面内密度大，规模小的陷落柱反映明显。

a. 由于煤层内发育的陷落柱与附近煤层存在较大的物性差异，而槽波就是利用物
性差异来探查非煤区域位置及边界，是探测陷落柱的有效手段。

b. 透射槽波法采用切眼和两个顺槽三个方位的射线交会观测方式，具有较高的射
线覆盖次数和多种角度的方位信息，再利用CT成像技术，可以比较清晰地反映陷落柱的边界和位置。

【相关文献】
[1] 胡国泽，滕吉文，皮娇龙，等. 井下槽波地震勘探预防煤矿灾害的一种地球物理方法[J]. 地球
物理学进展，2013，28(1)：439–451. HU Guoze，TENG Jiwen，PI Jiaolong，et al. In-seam seismic exploration techniques a geophysical method predicting coalmine disaster[J]. Progress in Geophysicss，2013，28(1)：439–451.
[2] 虎维岳，田干. 我国煤矿水害类型及其防治对策[J]. 煤炭科学技术，2010，38(1)：92–96. HU Weiyue，TIAN Gan. Mine water disaster type and prevention and control countermeasures in China[J]. Coal Science and Technology，2010，38(1)：92–96.
[3] 贾贵廷，胡宽瑢. 华北型煤田陷落柱的形成及分布规律[J].中国岩溶，1989，8(4)：21–23. JIA Guiting，HU Kuanrong. The formation and distribution of collapse columns in north-China-type coal fields[J]. Carsologica Sinica，1989，8(4)：21–23.
[4] 李金凯，周万芳. 华北型煤矿床陷落柱突水水文地质环境及预测[J]. 煤矿安全，1988(7)：6–12. LI Jinkai，ZHOU Wanfang. The hydrogeological environment and prediction of the water inrush of the collapse columns in northern China coal fields[J]. Safety in Coal Mines，
1988(7)：6–12.
[5] 彭纪超，张渝，胡社荣. 山西省煤田区陷落柱分布规律与成因模式[J]. 科技导报，2015，
33(11)：17–22. PENG Jichao，ZHANG Yu，HU Sherong. Distribution of the collapse columns in coal field of Shanxi Province and its genetic models[J]. Science Technology Review，2015，33(11)：17–22.
[6] 程建远，姬广忠，朱培民. 典型含煤模型Love型槽波的频散特征分析[J]. 煤炭学报，2012，37(1)：68–72. CHENG Jianyuan，JI Guangzhong，ZHU Peimin. Love channel-waves dispersion characteristic analysis of typical coal models[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：68–72.
[7] 崔焕玉. 煤矿陷落柱槽波地震探测技术研究[J]. 煤炭与化工，2017，40(4)：76–79. CUI Huanyu. Study on seam seismic exploration technique of coal mine collapse column[J]. Coal and Chemical Industry，2017，40(4)：76–79.
[8] 刘天放，潘冬明，李德春. 槽波地震勘探[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1994.
[9] KREY T C. Channel waves as a tool of applied geophysics in coal mining[J]. Geophysics，1962，28(5)：701–714.
[10] MASON I M，BUCHANAN D J，BOOER A K. Channel wave mapping of coal seams
in the United Kingdom[J]. Geophysics，1980，45(7)：1131–1143.
[11] MASON I M. Algebraic reconstruction of a two-dimensional velocity in homogeneity in the high hazles seam of Thoresby colliery[J]. Geophysics，1981，46(3)：298–308.
[12] 李建政，王季. 晋城天地王坡煤矿3204工作面透射槽波探测[J]. 中国煤炭地质，2014，
26(6)：56–58. LI Jianzheng，WANG Ji. Transmission channel wave prospecting in Coalface No.3204 of Wangpo coalmine of Tiandi Corporation[J]. Coal Geology of China，2014，
26(6)：56–58.
[13] 任亚平，李德春. FK域三层对称模型洛夫型导波频散分析[J].煤田地质与勘探，2009，37(1)：69–71.REN Yaping，LI Dechun. Discrete analysis of diffused guided wave with three-layer symmetric model[J]. Coal Geology & Exploration，2009，37(1)：69–71.
[14] 赵朋朋. 槽波透射与反射联合勘探在小构造探测中的应用[J]. 煤炭工程，2017，49(5)：47–50.ZHAO Pengpeng. Application of ISS transmission method and reflection method in detection of small structures[J]. Coal Engineering，2017，49(5)：47–50.
[15] 李刚. 透射槽波在煤矿陷落柱探测中的应用[J]. 煤矿开采，2016，21(3)：39–42. LI Gang. Application of transmission channel wave exploration of collapse column in coal mine[J]. Coal Mining Technology，2016，21(3)：39–42.。