综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用分析

综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用分析

董良

贵州豫能投资有限公司 ， 贵州 贵阳 550000

摘要：本文主要研究通过超前探测等手段，综合应用槽波地震勘探和无线电波坑透法对工作面未采区域开展综合物探，以查清工作面内部煤厚变化、地质构造，并圈出工作面瓦斯治理高风险区域，为工作面安全高效生产提供指导。

关键词：超前探测；槽波地震勘探；坑透法

1 概述

新田井田位于黔西向斜北西翼近轴部地带，区内构造形态为次一级缓倾斜褶曲。次一级褶曲和断层均有发育（图3-4），构造复杂类型为中等。新田煤矿核定生产能力60万t，开采二叠系龙潭组4煤和9煤，煤种为无烟煤，属煤与瓦斯突出矿井。1402回采面煤厚不稳定、断层发育、瓦斯含量大，属地质条件较复杂的工作面，较严重地制约着工作面正常生产。结合工作面周边地质情况及瓦斯地质条件，综合应用槽波地震勘探和无线电波坑透技术，依据综合物探成果，查明工作面内部煤厚变化及地质构造发育情况。针对物探探测“靶区”加以分析研判，研究其与瓦斯异常区域的相关危险特性，为工作面的瓦斯治理提供方向。

1. 1. 研究区概况

1402工作面位于北翼大巷以北，东南侧为1401采空区、西南侧1404未采工作面。工作面标高+912m～+949m，走向长147m，倾斜长约930m，可采储量63万t。现已回采约200m，剩余730m待采区域为本次物探测区。

1402工作面所采煤层为二叠系龙潭组4#煤层，属无烟煤，半亮型煤。煤体呈粉状～碎块状；煤层结构复杂，局部含夹矸；煤厚1.3～6m，平均3m；煤层倾角2°～14°。煤层直接顶为泥质粉砂岩，平均厚约5 m；直接底为泥岩或粉砂质泥岩，平均厚约4m。1402工作面地质构造发育，测区范围内共揭露断层4条。

2 探测施工及成果分析

2.1透射法槽波勘探

2.1.1槽波地震观测系统

1402工作面的断层与巷道夹角均大于45°，不具备槽波反射法施工条件，此次槽波地震勘探施工仅能采用透射法。1402测区长度为750m，受设备数量限制，分为里、外2段分别进行施工，为了解决两段测区相接区域测线分布稀疏、可靠程度低等问题，里、外2段测区设计重叠50m。

炮孔 在胶带运输巷内帮设计炮孔82个。其中S1～S75，均匀布置，孔距10m，孔深2.5m；另外，在S34～S41间，每2个炮孔中间补打1个炮孔，共“补1”～“补7”等7个炮孔。炮孔必须布置在煤层中。本次地震槽波勘探采用的激发震源为矿用乳化炸药，药量150g，使用1段雷管引爆。

检波器孔 1402工作面轨道运输巷内帮设计检波器孔47个，孔距15m，孔深2m。检波器孔必须布置在煤层中。

地震槽波勘探施工中，炮点S1、S2、S36等3炮为废炮，实际共接收了79炮数据。

图1 1402工作面槽波观测系统图

2.1.2数据处理与资料解译

本次槽波地震勘探速度法数据处理采用美国SPW地震数据处理软件，槽波是频散波，即槽波的群速度和相速度均随频率而改变。频散分析就是从实测的槽波记录中提取群速度和相速度随频率变化的曲线。槽波速度变化与煤厚密切相关，煤层越厚槽波速度越低，主频越向低频方向偏移。当煤层厚度稳定时，断层等成为槽波高速异常区的主要致因。

在对各炮点获得的槽波数据进行频散分析后，便可获得选定频率下槽波速度，再对其进行层析成像便可获得波速CT成像结果（图2）。图中波速分布显示，工作面里段区域波速分布相对均匀，和揭露的煤厚资料相吻合；而外段显示槽波速度变化大，与外段煤厚变化大也相一致。

图2 槽波速度分布图（160Hz）

根据槽波速度分布图，结合工作面巷道揭露煤厚信息，综合分析，1402工作面存在4处煤厚大于3.5m的厚煤区，分别为绿色线条标出的1#、2#、3#、4#厚煤区（图3）。

图3显示，1402工作面存在多处波速大于1100m/s的高速异常区。该工作面煤层厚度整体相对稳定，根据稳定煤层条件下槽波速度与地应力成正相关关系，分析高速异常区可能为应力集中造成，并圈出了1#、2#和3#高应力区（红色线条圈出区域）。

图3 煤厚与应力成果（160Hz）

2.2无线电波坑透

1402工作面无线电波坑透勘探采用透射CT交绘法（定点法）进行施工，由于工作面宽度150m，采用0.5MHz的频率应可以稳定连续接收到数据，预计电磁场强度应>40dB。

接收点：1402工作面胶带巷停采线为起始位置，标记为1点，由外往里点号依次标记为1～75号，测点间距为10m；轨道巷联巷口为起始位置，标记为100点，由里往外点号标记为100～170号，测点间距为10m。

发射点：1402工作面胶带巷停采线为起始位置，按50m间距，共设计了16个发射点；同样轨道巷也设计了16个发射点。

整个工作面实际共完成发射点32个。本次勘探，无线电坑透电磁波信号较好，大部分场强数据大于40 dB。

2.2.1坑透数据处理及解译

（1）坑透数据处理

1402工作面无线电波透视资料处理采用重庆院专用软件系统—WKTCT，经数据传输、编辑、巷道绘制、测点布置、H0、B计算、CT处理、参数校验等多个步骤，最终得到1402工作面坑透CT成果图（图4）。

（2）坑透成果解译

在工作面无地质异常区段，不同观测点场强值变化仅受观测点几何位置影响，受煤层吸收系数影响小，测区内场强值较均匀。在地质异常区段，如煤厚变薄区、断层带、破碎带等，电磁波能量吸收将比正常区段增大数倍，场强值显著下降。通过电磁波吸收系数层析成像，吸收系数的分布将反映地质异常的分布。图4中部是电磁波的较强吸收区（黑色线条划分区域），面积较大，呈向轨道巷延伸趋势，分析此异常区可能为构造或煤层破碎所致。

图4 无线电波坑透成果图

3 综合勘探成果分析

3.1煤层厚度

槽波速度分布图显示，工作面大部分区域波速集中在900～1100m/s，波速变化小，说明工作面大部分区域煤厚比较稳定，厚约3m；局部区域波速小于900m/s，结合工作面巷道揭露煤厚信息，预测了低速区为煤厚大于3.5m的厚煤区，分别为1#、2#、3#和4#（如图3所示）。

3.2断层发育

根据槽波射线质量分析，工作面内F1402-1断层的北段的落差大于煤厚，完全阻隔了槽波所致，导致槽波质量差，分析此段断层落差3～4.5m。处于绿色区域的F1402-1断层南段分析其落差应小于煤厚，所以不阻碍槽波传播，槽波质量相对较好，分析断层南段的落差小于3m。同理，F1402-2的落差也应该小于1/2煤厚，即小于1.5m。

图5 1402工作面断层成果图

3.3瓦斯治理关注区

根据1402工作面煤厚与应力成果图所示，1402工作面存在多处波速大于1100m/s的高速异常区。由于该工作面煤层厚度整体相对稳定，根据稳定煤层条件下槽波速度与地应力成正相关关系，高速异常区应为地应力集中造成，圈出了1#、2#和3#高应力区。（如图3所示）。

综合分析，1402工作面有3处瓦斯治理关注区，在采取瓦斯抽采治理时需特别留心注意，其中，1#异常区的中部条带和3#异常区应重点关注（图6）。

图6 1402工作面瓦斯成果图

3.4开采异常区

坑透成果图显示，在胶带巷停采线向里310～390m、向工作面内0～100m范围存在1处电磁波衰减异常区，衰减系数为-15～-30。此坑透异常区可能存在夹矸异常分布、煤层产状异常变化等。这些区域开采条件一般较差，存在不利于正常开采的因素或一定的开采风险。

图7 1402工作面“坑透异常提示区”分布图

4.结语

（1）在同一频率下煤层厚度和槽波波速具有负相关关系。利用槽波勘探数据准确预测1402工作面煤层厚度变化，圈定出煤厚大于3.5m厚煤区4处。

（2）槽波的质量好坏、频散曲线连续性受煤层稳定性、围岩破碎程度、断层、陷落柱及岩浆岩体等因素影响。综合槽波速度场、质量场分析成果，结合工作面揭露的地质信息，圈出了3处“瓦斯治理关注区”和1处开采风险区，有效保障了矿井安全生产。

（3）受皮带、风筒、管道等工作面施工条件、煤层钻孔稳定性对检波器安装的影响，局部地区采集的槽波数据质量较差，一定程度影响解译效果；此外，瓦斯赋存机理复杂、影响因素较多。

参考文献

[1]任海波. 综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用[J]. 江西煤炭科技, 2017, 000(003):9-12.
[2]王春霖. 煤矿井下综合物探超前探测技术及其应用[J]. 能源与节能, 2018, 000(003):P.161-162.
[3]崔洪亮. 煤矿井下综合物探超前探测技术与应用[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2015.
[4]刘江敏. 综合物探在煤矿超前探测中的应用[J]. 内蒙古煤炭经济, 2016, 000(003):153-154.
[5]张进英. 综合探测在瓦斯地质超前探测中的应用分析[J]. 石化技术, 2020(1):118-119.

[6]李松营廉洁,滕吉文,等.基于槽波透射法的采煤工作面煤厚解释技术[J].煤炭学报,2017,42(3):719-725.

[7]廉洁，李松营，滕吉文，等．槽波探测技术的多领域应用与试验［J］．河南理工大学学报（自然科学版），2017，36（5）：35－40．

作者简介：董良（1988—），男，河南新安人，2018年6月毕业于西安科技大学，地质工程专业，本科/学士，助理工程师，现从事地质管理技术工作/研究方向：矿山地质。