反射波超前成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)在礦山巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

反射波超前成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)在礦山巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

0測(cè)距離參數(shù)不同地質(zhì)對(duì)象的物理特征各不相同。在彈性波速和力學(xué)特性以及破碎狀態(tài)中，巖石性質(zhì)和破碎狀態(tài)的彈性波速和力學(xué)性質(zhì)的差異主要體現(xiàn)在電導(dǎo)率和介電常數(shù)等磁性特征的差異上（杜興忠等，2008）。不同的物探方法無(wú)法同時(shí)反映這兩種物理變化。地震勘探方法主要是人工方法，激發(fā)了彈性波，并根據(jù)其反射波的特性對(duì)道路前方的圍巖巖性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)處理分析。測(cè)量距離可超過(guò)100m。現(xiàn)在形成了幾種不同的技術(shù)，主要包括負(fù)視速度法、地面噪聲法、瑞利波法、水平剖面法（hps）、tsp、trt、tgg和tst等預(yù)測(cè)技術(shù)。地震勘探方法對(duì)斷層和破碎帶等結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)性更準(zhǔn)確，但對(duì)巖體的含水性不敏感。因此，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)所謂的突然洪水事件（陳相福等，2005；石明等，2006；嚴(yán)景宇等，2007）。地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、瞬變磁強(qiáng)計(jì)和其他磁強(qiáng)計(jì)對(duì)含水區(qū)和破壞帶的識(shí)別能力較高，但地質(zhì)雷達(dá)的理想探測(cè)距離在20.30m以內(nèi)。高密度電規(guī)劃主要通過(guò)測(cè)量圍巖的分辨率分布來(lái)預(yù)測(cè)富水區(qū)的預(yù)測(cè)，但由于體積效應(yīng)和道路施工長(zhǎng)度的影響，瞬態(tài)電法對(duì)含水區(qū)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)良好，但在井條件下，“最終”和“完全異常”的應(yīng)用前提很難實(shí)現(xiàn)。因此，如果我們想獲得更精確的預(yù)測(cè)結(jié)果，我們需要應(yīng)用綜合探測(cè)法，建立先進(jìn)的技術(shù)方法系統(tǒng)，并通過(guò)綜合解釋來(lái)提高預(yù)測(cè)提前預(yù)測(cè)的可靠性。本文在分析研究超前探測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了適用于煤礦井下巷道的巷道超前探測(cè)的彈性波方法,即3D全空間彈性波超前探測(cè)方法與技術(shù)、硬件和軟件系統(tǒng).并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的對(duì)比分析,說(shuō)明了本探測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性和應(yīng)用前景.1現(xiàn)在，先進(jìn)研究和預(yù)測(cè)技術(shù)存在幾個(gè)問(wèn)題1.1巷道超前探測(cè)彈性波技術(shù)原理國(guó)內(nèi)開(kāi)展超前探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究多,方法理論研究成果相對(duì)偏少(唐建偉等,2008).目前超前探測(cè)應(yīng)用最多的是TSP系統(tǒng),而TRT和ISIS方法近年鮮見(jiàn)應(yīng)用文章.應(yīng)該說(shuō)我國(guó)是最早開(kāi)展隧道超前探測(cè)研究的國(guó)家之一,但對(duì)超前彈性波探測(cè)技術(shù)原理開(kāi)展的研究很少,特別是對(duì)巷道復(fù)雜介質(zhì)條件下彈性波的傳播規(guī)律以及最佳數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的研究不夠深入、全面.1.2異常體探測(cè)方式和測(cè)試手段上的問(wèn)題巷道超前探測(cè)空間有限,必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,因地制宜、全面有效地收集全空間波場(chǎng)信息.從目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的各種巷道彈性波超前預(yù)報(bào)方法來(lái)看,技術(shù)本身的區(qū)別主要在觀測(cè)方式和資料處理方式上.觀測(cè)布置的方式上有點(diǎn)狀布置、二維布置和空間布置等多種形式,總體上空間布置的觀測(cè)系統(tǒng)比直線布置能有效收集來(lái)自不同界面特征的異常體信息,對(duì)提高地質(zhì)體的定位精度和巖體工程類別劃分的可靠性有很大幫助.但現(xiàn)有的空間布置為非任意炮檢對(duì)類型,不利于現(xiàn)場(chǎng)條件差的巷道開(kāi)展超前探測(cè).這種探測(cè)系統(tǒng)布置帶有一定的人為性、盲目性,在前方地質(zhì)構(gòu)造未知情況下進(jìn)行單邊放炮或固定平面式二維采集系統(tǒng)布置,不能有效接收來(lái)自不同地質(zhì)界面的反射波信息,致使反演或成像結(jié)果精度降低.1.3其他學(xué)者和學(xué)者與地鐵、交通隧道等相對(duì)單一圍巖地質(zhì)條件不同,礦山巷道掘進(jìn)面臨的是更為特殊的地質(zhì)條件(CardarelliEetal.,2003;胡雄武等,2010;強(qiáng)建科等,2010;張軍等,2012;楊思通等,2012).由于煤層是一種密度較低、軟弱的層狀介質(zhì),其上下為相對(duì)堅(jiān)硬的頂、底板巖層,故所激發(fā)地震波在傳播過(guò)程中具有導(dǎo)波性質(zhì),其地球物理?xiàng)l件相對(duì)復(fù)雜.在煤層頂、底板巖層界面強(qiáng)反射的影響下,往往很難對(duì)前方有效反射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,因此對(duì)地震反射波的后續(xù)處理更為重要.2巷道超前探測(cè)組成系統(tǒng)基于上述問(wèn)題,急需構(gòu)建一套彈性波超前探測(cè)硬軟件系統(tǒng),提高對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中各種地質(zhì)條件探測(cè)與預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線如圖1所示.本系統(tǒng)功能模塊主要包括:反射波法激發(fā)與接收系統(tǒng)、巷道多波勘探觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理方法與解釋系統(tǒng)等.系統(tǒng)研制設(shè)計(jì)主要包括硬件研制設(shè)計(jì)與軟件研制設(shè)計(jì).根據(jù)巷道彈性波的特點(diǎn)以及巷道超前探測(cè)施工性質(zhì),要求測(cè)試儀器具有頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍大等技術(shù)要求.如圖2為彈性波超前探測(cè)采集系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)框圖.整個(gè)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)巷道干擾波的濾波處理、波場(chǎng)分離、速度分析、偏移成像和結(jié)果可視化等幾個(gè)部分內(nèi)容.圖3為巷道超前反射波成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程圖.通過(guò)硬軟件系統(tǒng)建設(shè),開(kāi)發(fā)了一套適用于礦井安全條件的礦用超前探測(cè)系統(tǒng)(圖4為KDZ114-6B30地震探測(cè)儀).將數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)相配合,形成了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的巷道彈性波探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)(MSP系統(tǒng)),其中采集儀器設(shè)備與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獨(dú)立,進(jìn)一步擴(kuò)大了超前探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍(曾昭璜等,1994;薛國(guó)強(qiáng)等,2008;王啟軍等,2009;陸云祥等,2010;徐凱軍等,2011;張平松等,2011).應(yīng)用本系統(tǒng)并基于數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)的成果,提出了巷道掘進(jìn)條件下有限空間三維反射波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)工作技術(shù)方法,可以預(yù)測(cè)巷道工作面前方150m的地質(zhì)異常;探明落差小于3m的斷層及其他地質(zhì)異常,解釋距離誤差小于10%,異?？煽啃源笥?0%.3胡同初步檢測(cè)3.1試驗(yàn)巷道生長(zhǎng)情況顧橋煤礦南翼采區(qū)構(gòu)造密集,斷層多且落差較大.受斷層影響,巖層產(chǎn)狀變化強(qiáng)烈,煤層賦存不穩(wěn)定,給南翼主要系統(tǒng)巷道的安全施工及支護(hù)造成很大困難.試驗(yàn)巷道在向前掘進(jìn)過(guò)程中先后穿過(guò):FD95逆斷層,∠60°~80°、H=0~50m;FD108-1正斷層,∠50°~55°、H=5~25m;FD108正斷層,∠65°、H=0~60m;F114-1正斷層,∠70°~80°、H=0~30m.與此同時(shí),根據(jù)三維地震測(cè)線剖面,南翼大巷后續(xù)掘進(jìn)還要穿過(guò)一個(gè)疑似陷落柱區(qū)域.探測(cè)試驗(yàn)選定試驗(yàn)巷道S40測(cè)點(diǎn)處,探測(cè)目標(biāo)是對(duì)前方地質(zhì)異常進(jìn)行準(zhǔn)確定位與定性.3.2激發(fā)炮點(diǎn)點(diǎn)和出炮點(diǎn)依據(jù)空間觀測(cè)系統(tǒng)布置原則,現(xiàn)場(chǎng)施工在掘進(jìn)工作面及其后方巷道有限空間內(nèi)完成.測(cè)線布置在兩幫和工作面上,為了便于與TSP系統(tǒng)對(duì)比,設(shè)計(jì)炮孔39個(gè),其中左幫8炮,右?guī)?4炮,迎頭7炮;檢波器點(diǎn)7個(gè),編號(hào)為R1-R7.檢波器及炮孔順序和方位見(jiàn)圖5.激發(fā)炮點(diǎn)1~24布置在右?guī)?25~32布置在左幫,33~39布置在掘進(jìn)工作面上.炮間距為1.5m,R1檢波器位于6號(hào)與7號(hào)炮點(diǎn)之間,R2在1號(hào)炮點(diǎn)后方1.5m處;R3距離R2點(diǎn)15m,R4距離R3點(diǎn)10m;R5距離25號(hào)炮點(diǎn)15m,R6距離R5點(diǎn)10m,R7距離R6點(diǎn)15m.其中R3、R7檢波器為TSP接收孔.3.3巷道地質(zhì)特征采用自行開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)分別對(duì)二維觀測(cè)數(shù)據(jù)和空間多炮檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理.其中二維系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程為:數(shù)據(jù)預(yù)處理—頻譜分析—直達(dá)波速度求取—反射波提取—速度分析—深度偏移—界面提取.其處理所獲得的反射界面可直接與TSP系統(tǒng)的解釋成果進(jìn)行對(duì)比分析.在處理多炮檢對(duì)空間數(shù)據(jù)時(shí),主要利用三分量數(shù)據(jù)進(jìn)行立體橢球偏移成像.圖6為多炮檢對(duì)疊加深度偏移后所獲得的二維反射界面的提取結(jié)果,而圖7為多炮檢對(duì)立體偏移結(jié)果圖.新型探測(cè)系統(tǒng)的解釋結(jié)果表明,以S40點(diǎn)作為相對(duì)零點(diǎn),試驗(yàn)巷道S40點(diǎn)前方76m和97m處存在規(guī)模較小的構(gòu)造破碎帶,而在巷道前方138m至171m段存在規(guī)模相對(duì)較大的斷層破碎帶(表1).TSP數(shù)據(jù)處理選用Amberg公司配套處理系統(tǒng)TSP-Win2.1.處理流程包括初至拾取———炮能量平衡———Q值分析———反射提取———PS波分離———速度分析———深度偏移———反射界面提取.初至拾取時(shí)縱橫波速度比為2.2.圖8為TSP法偏移結(jié)果剖面.圖9為偏移速度結(jié)果圖.圖10為彈性模量動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果圖.由速度剖面可以看出,探測(cè)區(qū)域內(nèi)速度變化較大,由2.52m/ms變化至4.57m/ms,反映該區(qū)域巖體均一性較差.其特征與偏移結(jié)果圖中的主要反射異常界面位置相對(duì)應(yīng),在界面兩側(cè)存在速度差異,存在2個(gè)高速度區(qū)HV1、HV2和一個(gè)低速區(qū)LV1.與TSP動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果(圖10)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)和R6、R8和R9界面相對(duì)應(yīng)的是:自S40點(diǎn)起前方71~83m范圍內(nèi)橫波速度減小,泊松比增大,楊氏模量減小,相比較目前迎頭巖體,該段巖體抗剪能力下降,結(jié)構(gòu)較松散.在前方138~171m處巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化反復(fù),反映該區(qū)段巖體連續(xù)性變差,結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.3.4巷道周邊構(gòu)造、破碎帶分布結(jié)合兩種儀器數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果對(duì)比可得,控制距離自S40點(diǎn)起向巷道前方共200m.以S40點(diǎn)作為相對(duì)零點(diǎn),試驗(yàn)巷道S40標(biāo)志點(diǎn)前方76m和97m處存在規(guī)模較小的構(gòu)造或破碎帶,在前方138m至171m區(qū)段存在規(guī)模相對(duì)較大斷層或破碎帶,對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大.自S40點(diǎn)前至巷道前方共120m范圍內(nèi),富水性較弱,推斷不存在較大的含水體,掘進(jìn)時(shí)發(fā)生的淋水現(xiàn)象將有所減輕.在探測(cè)控制范圍內(nèi)可安全掘進(jìn).此結(jié)果被實(shí)際掘進(jìn)情況證實(shí).4特殊巷道彈性波探測(cè)實(shí)例在分析煤礦巷道超前探測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)難題的基礎(chǔ)上,基于數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)成果開(kāi)發(fā)的巷道掘進(jìn)條件下有限空間三維反射波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)工作技術(shù)方法切實(shí)有效,自行研發(fā)的巷道彈性波超前成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)與國(guó)外同類儀器、軟件相比更加適用于煤礦巷道,可為礦山、隧道、地鐵等地下工程安全生產(chǎn)與施工提供有力的技術(shù)保障.王夢(mèng)倩,岳建華,劉盛東.2014.反射波超前成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其應(yīng)用.地球物理學(xué)進(jìn)展,29(3):1439-1444,doi:10.6038/pg20140361.WANGMeng-qian,YUEJian-hua,LIUSheng-dong.2014.Reflectionwaveimagingadvanceforecastsystemanditsapplic