廢棄礦井采空區(qū)及巷道超前探測技術

在中國，小煤礦常年處于無序開采狀態(tài)，留下了一扇復雜的大門。煤炭資源整合后，其確切位置無法確定。采空區(qū),尤其是多年老采空區(qū),很可能因為地下水的充填而形成地下水庫,一旦被采掘活動掘穿,輕則淹沒設備,影響生產(chǎn),重則導致重大人員傷亡及財產(chǎn)損失,因而煤礦上非常希望有一種技術能夠方便地對掘進工作面前方如廢棄巷道、采空區(qū)這樣的地質異常進行超前探測1地表及炮點位置實驗區(qū)域有較為詳細的鉆孔資料,部分煤層已進入工作面采掘階段。據(jù)鉆孔及煤層工作面采掘獲得的信息來看,此處煤層及上覆圍巖展布平坦,煤層厚度變化很小。放炮處煤層厚度6m,底板標高約1070m,其上依次覆蓋約100m的砂巖層,50~70m的黃土層,3~6m的沙土層。試驗中地表測點標高在1230~1250m,如圖1所示。巷道1,2均寬6m,巷道2右側留10m保護煤柱,再右邊是已經(jīng)采完放頂?shù)牟煽諈^(qū),其邊界的平面坐標約為(656,0),如圖2所示。測線東西向共96道,測點編號R101~R196,道距10m,長950m,橫跨兩條巷道及1個采空區(qū),如圖2所示。炮點位置在測點R101以西10m正下方,平面坐標為(0,0)。因為井下地表通訊困難,無法做到同步觸發(fā),采用中煤科工集團西安研究院自主研發(fā)生產(chǎn)的礦用連續(xù)記錄地震儀,GPS授時并配置采集參數(shù)后,可以在采集時段內連續(xù)不間斷地記錄數(shù)據(jù)。2頂板滑動波場探測圖3是此次試驗的地震波場側剖面示意,并非實際地層素描。炮點起爆后,上行震波在近炮點煤層頂板處朝上透射入基巖,隨著與炮點距離的增加,上行震波迅速達到臨界入射角形成頂板滑行波作為散射波源頭的巷道呈線狀,因此激發(fā)出的散射波場是一系列點源散射波的波場疊加式中,k為傳播中的衰減系數(shù);A在本次實驗中,筆者試圖探測頂板滑行波在巷道1處激發(fā)的巷道散射波。對于巷道2,由于巷道1對頂板滑行波的阻斷,本次試驗所用方法無法探測,故未敘述。對于巷道1,可以確定d=320m,取p=-310,-300,…,320m,通過地面放炮的地震資料可估算出v≈3120m/s,通過測量數(shù)據(jù)可以得到h≈110m,假定A3來透射p波井下放炮地面接收采集到的地震資料質量很高,圖5是原始地震記錄,加了AGC。圖5中直達透射P波初至清晰可見,視波速較高,約為3900m/s,但其最右端被采空塌陷區(qū)阻斷,完全消失在噪音中。直達透射S波(在煤層頂界面上產(chǎn)生的轉換S波)視波速約為1700m/s,因其波形模糊,本例中未采用其信息。3.1正對平面坐標的確定透射波攜帶了其途經(jīng)地層的豐富信息,為辨識采空區(qū)邊界,將圖5透射P波初至局部放大,如圖6所示。對其進行靜校正,將接收點高程校正到基巖頂界面(因透射波與散射波以近乎垂直的角度出射地表低速帶,故如此校正對平面坐標的確定影響很小),靜校正結果如圖7所示。從圖7中能清楚地看到透射P波初至同相軸在第65道與第66道之間存在一個波速拐點,表明第65道以右的透射P波穿過了一個波速驟降的區(qū)域;此外自第75道開始,透射P波初至能量衰減嚴重,主頻降低明顯(波形變寬),這表明此處的透射P波穿過了地層結構破壞較為嚴重的區(qū)域。事實上如圖2所示,第65道跨過了第2條巷道,第66道跨過保護煤柱進入采空區(qū),自第66道以右,全部在采空區(qū)上方。此結果說明井地聯(lián)合地震透射波勘探尋找采空區(qū)邊界方法穩(wěn)健可靠,超前勘探的距離非常遠,勘探精度也非常高,本例中在超前656m的距離上,勘探精度誤差達到10m以內。3.2巷道位置聚合反應從圖6或圖7上,無法直接辨識出巷道散射波。圖4中的模擬結果顯示,巷道散射波與透射直達波在記錄上的位置不一樣,同相軸的形態(tài)及延伸傾角也不一樣。將圖6數(shù)據(jù)應用散射波成像技術進行處理,相對增強巷道散射波的能量,得到圖8。從圖8可看到巷道散射波的蹤跡,為判斷其的確是巷道散射波,將圖4調整尺度,使之與圖8橫軸等道間距,縱軸等時長(圖9),可觀察到巷道散射波確實應當出現(xiàn)在圖8出現(xiàn)的位置上。圖8中巷道散射波峰頂同相軸紊亂,很難準確判斷散射點位置,為此對巷道散射波進行能量匯聚成像。假設巷道可能存在于檢波點R102到檢波點R164范圍內的任意檢波點之下,對每種可能的巷道位置,計算其散射波時距曲線,并在圖8中沿著此時距曲線對其上下各4ms范圍內的樣點求絕對值和,得到圖10。從圖10中可以清晰地看到,在第32,33號檢波點之間,能量匯聚達到最強,即巷道散射點在第32號與第33號檢波點下方,與圖2中的巷道位置相符,誤差小于5m。此結果說明井地聯(lián)合地震散射波勘探在尋找因地質不連續(xù)產(chǎn)生的散射點上(巷道,斷層等),可以在超前很遠的距離上達到很高的精度,本例在超前320m的距離上,勘探精度誤差達到5m以內。4巷道位置跟蹤的精度誤差(1)井地聯(lián)合地震透射直達波在穿過采空區(qū)時,會發(fā)生明顯的波速降低、能量衰減、波組主頻降低,利用此效應尋找采空區(qū)邊界,方法簡單且效果穩(wěn)健,可以超前勘探的距離非常遠,勘探精度也非常高,本次試驗中在超前656m的距離上,勘探精度誤差達到10m以內。(2)煤層中放炮激發(fā)的頂板滑行波在遇到巷道阻斷、傳播條件劇變時會激