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矿井构造与瓦斯的震波超前探测技术应用

分析

1、引言

随着采煤机械化程度的不断提高，对矿井地质构造发育

程度的认知必须得到相应提高，特别是对巷道掘进头及采煤

工作面的小构造进行准确预报、预测，以保证煤矿采掘工作

面的高产高效生产，这是目前矿井地质工作的首要任务。同

时构造因素往往与矿井瓦斯相关联，构造复杂的地方也是瓦

斯易于突出的地方，构造是瓦斯溢出的通道，因此查清采掘

面前方小构造，对异常区域提前采取措施，直接关系到“一

通三防”工作的成效。自90年代初以来，我们一直致力于

矿井瓦斯与小构造探测方法技术的试验研究，并在KDY-1

型矿井地震仪基础上专门开发了新一代的智能矿井资源探

测仪，其单、双点及折射、反射探测方式，应用地震勘探中

反射、折射及瑞雷波勘探原理对目的层界面及厚度进行判定

与计算，并结合已知地质特征进行构造解释，在实际探测中

取得了较好的应用效果。

2、震波探测条件分析

2.1煤岩层结构及地震地质条件

一般来说，煤层震波速度范围在Vc=1.5～2.0m/ms，

煤层密度ρc=1.3kg/cm3左右；围岩顶底板速度范围

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Vr=3.0～4.5m/ms，围岩密度ρr=2.4kg/cm3左右。按照波

阻抗Z=V·ρ原理，Zc=Vc·ρc，Zr=Vr·ρr，则Dz=Zr～Zc,

按照波动理论只要Dz≠0，则在该界面必将产生波的反射或

折射。显然对于煤层与其围岩的界面Dz=4.6～8.85之间，

因此，该界面的反射系数R=Dz/（Zr+Zc）=0.34～0.7，一

般R=0.1就被称为强反射界面。这样煤层速度V、密度ρ、

构造变异、软硬特征等的变化都会产生波阻抗的变化，因此，

可以通过震波法检测煤层的小构造特征、煤层的软硬变化以

及内部的应力变化等相关特征，进一步分析其瓦斯地质特征

状况[1，2]。

2.2构造与瓦斯涌出相关性

瓦斯是一种赋存在储气构造中的煤层气，它可以通过运

移的方式由各种通道进行释放。国内外地质资料以及我国高

瓦斯矿井实际开采的经验表明，发生煤与瓦斯涌出的位置，

多与地质构造破坏有直接关系。从位置上讲，或发生在小断

层位置处，或发生在小背斜褶曲部位，或发生在各种裂隙带

[3]；从地域上讲，多数突出发生在巷道独头，采掘工作面，

但也有发生在采煤工作面。总的来说，瓦斯涌出受构造因素

的影响程度较大。因此应用震波方法探测和查明采掘面及采

煤面小构造，并结合构造力学性质、地质资料综合分析预测

煤层与瓦斯突出可能性，是一种切实可行的工作方法。

3、采掘巷道超前探测

石门巷道揭煤前，前方煤层精确距离和煤层内部动力现

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象一直是矿井开拓及生产调查的重要内容，由于各种介质本

身存在物理力学性质差异，因此可以通过震波法进行相关内

容探测，确定前方煤层的具体位置并进行煤和瓦斯涌出危险

性预报、预测。

3.1石门前方煤层及构造距离探测

石门前方煤层距离的探测可以采用煤层距离的动态自

动修正法进行，该方法是在迎头当前位置进行单点、双点探

测，读取前方煤层的相位和幅频特征，确定煤层距离和围岩

速度信息。在迎头进入下一位置时，再进行第二次检测，得

到新的相位、幅频特征值。通过两次以上相关特征值的对比、

判别，计算出波场速度、围岩品质、地层衰减吸收等参数的

变异特征，从而确定并解释煤层的前方距离，误差精度控制

可达1%左右。

3.2超前揭煤钻孔探测

在现有的超前钻孔中可以通过孔内震波检层技术动态

确定煤岩体的动力学特征，采用滑块式贴壁速度传感器进行

震波检层，对煤层围岩的强度进行动力学法原位检测，确定

钻孔揭露围岩的纵、横波速度、动弹模、强度、坚固性等。

同时可以在该孔内进行煤层内部动力现象