井下物探方案

貴州大方煤業(yè)公司小屯煤礦

井下物探技術(shù)實(shí)施方案一、概述小屯井田位于貴州省大方縣縣城南部，井田中心直距縣城約6.0km,行政區(qū)劃屬大方縣小屯鄉(xiāng)、大方鎮(zhèn)、羊場(chǎng)鎮(zhèn)管轄。貴畢高等級(jí)公路從井田中南部穿過(guò)，大方至納雍的縣級(jí)公路沿井田西側(cè)淺部邊緣經(jīng)過(guò)。交通十分便利,見(jiàn)圖1.2-1。井田西至龍?zhí)督M地層底界，北至1勘探線，東至路穿巖?周家大洞?安塘?巖腳?新田一線南至北緯27。02，15〃緯線。南北長(zhǎng)7?10.2km，—般8km;東西寬4.6?11.10km，—般約7.5km，面積約66.51km2。地理坐標(biāo)：東經(jīng)105。32'45〃?105。39'30〃，北緯27。02'15〃?27。07'45〃。一采區(qū)位于該井田中西部，北起7勘探線，南至J10勘探線以南;西起煤系地層淺部，以貴畢高等級(jí)公路為界;東至五采區(qū)保護(hù)煤柱。南北長(zhǎng)約3.5km，東西寬約1.95km，面積約6.8km2。本礦為高瓦斯突出礦井。二、便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀簡(jiǎn)介概述礦井地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存情況是礦井生產(chǎn)與安全的主要影響因素，礦井地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存情況不但直接影響到礦井生產(chǎn)安全而且還控制著煤層瓦斯、礦井水體、地下應(yīng)力場(chǎng)等的分布與變化規(guī)律?？煽繙?zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存情況預(yù)測(cè)和對(duì)礦井采區(qū)、工作面、巷道等系統(tǒng)的合理布置、采取有效的措施確保礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。多年來(lái)，作為煤礦生產(chǎn)不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一的地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)技術(shù)一直得到世界各產(chǎn)煤國(guó)的重視。世界各主要產(chǎn)（采）煤國(guó)都投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。我國(guó)在礦井構(gòu)造探測(cè)與預(yù)測(cè)及煤層賦存情況等研究同樣做了大量的工作，但在礦井構(gòu)造探測(cè)儀器設(shè)備研制方面，真正起到良好應(yīng)用效果的只有安徽理工大學(xué)和福州華虹智能科技開(kāi)發(fā)有限公司研制的KDZ1114-3型便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀和西安分院瑞雷面波探測(cè)儀，它們均可直接用于井下巷道超前探測(cè)，其中KDZ1114-3型礦井地質(zhì)探測(cè)儀的5種探測(cè)方法就包括瑞雷面波探測(cè)方法，目前該儀器已在煤礦構(gòu)造及異常體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

儀器原理礦井地質(zhì)探測(cè)儀主要采用震波勘探原理，利用震波（地震及聲波）為彈性波波源，對(duì)被探測(cè)介質(zhì)的厚度（距離）和速度進(jìn)行探測(cè)，采用自激自收解析法、瑞雷波解析法、折射解析法及反射解析法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和解析。這四種解析方法應(yīng)用于儀器內(nèi)核，構(gòu)成儀器四種全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)探測(cè)方法，即單點(diǎn)探測(cè)、雙點(diǎn)探測(cè)、折射探測(cè)與反射探測(cè)。目的是使儀器適用性更加廣泛，突破以往使用探測(cè)儀器只能專(zhuān)業(yè)人員介入的局面。通過(guò)采集地震波，經(jīng)儀器初處理后，再經(jīng)過(guò)軟件解析系統(tǒng)的綜合分析后，從而確定異常界面。再結(jié)合地質(zhì)基礎(chǔ)資料，最終定性和定量確定其探測(cè)目的。儀器基本組成主機(jī)由主板、液晶顯示器、薄膜鍵盤(pán)、電池和各種外接接口插座等組成。面板有輸入接口、啟動(dòng)接口、充電接口、通用功能接口（可圖一KDZ113-4便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀系統(tǒng)組成接打印機(jī)、通訊存儲(chǔ)卡）聯(lián)網(wǎng)接口、PC鍵盤(pán)接口；控制按鍵有輝度控制按鍵和電源開(kāi)關(guān)，另有檢波器、啟動(dòng)器、震源、充電器、通訊存儲(chǔ)卡的主要設(shè)備，見(jiàn)圖2-1圖一KDZ113-4便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀系統(tǒng)組成2.4儀器探測(cè)方法及重點(diǎn)解決所用探測(cè)儀器主要探測(cè)方法有：1） 單點(diǎn)自激自收探測(cè)2）雙點(diǎn)瑞雷面波探測(cè)3）單邊折射探測(cè)4）雙邊折射剖面探測(cè)5）圍巖松動(dòng)圈探測(cè)6）反射探測(cè)7）用戶自定義探測(cè)所用儀器重點(diǎn)解決1）頂?shù)装迕汉窦扒胺綐?gòu)造實(shí)時(shí)剖面2） 工作面內(nèi)斷層及隱伏構(gòu)造探測(cè)3） 圍巖松動(dòng)探測(cè)4） 陷落柱探測(cè)5） 巷道獨(dú)頭超前探測(cè)6） 老空探測(cè)

7）基巖界面及起伏形態(tài)探測(cè)8） 巖層探煤層9）錨噴大巷安全性評(píng)價(jià)10） 巖漿侵入體2.5儀器主要特點(diǎn)該儀器是一種高檔智能化產(chǎn)品，無(wú)論在技術(shù)上還是在使用上都完全基于用戶的需要設(shè)計(jì)。因此具有其他類(lèi)似儀器所不具有的優(yōu)點(diǎn)。（1）智能化探測(cè)。儀器提供的5種探測(cè)方法均應(yīng)用智能的數(shù)據(jù)采集和解析算法，既可無(wú)人介入全自動(dòng)解析，亦可人機(jī)聯(lián)合操作，還可由人工操作，以圖形和數(shù)字得出探測(cè)結(jié)果。（2） 測(cè)算實(shí)時(shí)。儀器具有波形解析軟件，波形采集后可立即進(jìn)行解析，從而使得探測(cè)和數(shù)據(jù)處理可在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行。（3） 傻瓜機(jī)型。每一步操作均有提示和在線幫助，若操作出錯(cuò)儀器會(huì)通過(guò)聲音或顯示提示，機(jī)內(nèi)擁有國(guó)標(biāo)二級(jí)漢字庫(kù)；儀器提供的4種智能探測(cè)方法，使用者可以是非專(zhuān)業(yè)人員。2.6儀器技術(shù)性能1.人機(jī)接口顯示：采用640x200大屏幕圖形點(diǎn)陣液晶顯示器；鍵盤(pán)：64鍵，由數(shù)字鍵、功能鍵和子母鍵等；操作界面：全中文界面，有字符、專(zhuān)（通）用庫(kù)、區(qū)位拼音、五筆等輸入法；?通道數(shù)：?采樣速度：?通道數(shù)：?采樣速度：?厶她分辨率：?內(nèi)存容量：?增益：?低通：?帶通：?全通：?容量：2.采集通道單道采樣最快速度為2.5ps（高速型），5ps（次高速型）；采樣數(shù)據(jù)分辨率為12位；1M、2M、4M、8M字節(jié)可選，可存儲(chǔ)1000個(gè)左右測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)資料；0dB?96dB（0?42dB以6dB遞增、42dB?96dB以3dB遞增，增量可選）；最高截止頻率為4000HZ；在1HZ?4000HZ之間任取頻帶，但高截不能超過(guò)低截的5倍；可通過(guò)0HZ?7KHZ任意頻率信號(hào)；采樣存儲(chǔ)器容量為8K字節(jié)；

■間隔：聲波采樣：2.5ps?32000ps（以0.5ps為增量可選）。3.探測(cè)介質(zhì)探自動(dòng)探測(cè)為60米以?xún)?nèi)，用戶自定義探測(cè)深度不限。探測(cè)層數(shù)：＜5層；電 源■供 電：內(nèi)含有高能鋰電池，可連續(xù)工作4小時(shí)以上；數(shù)據(jù)保持：掉電情況下，可保證數(shù)據(jù)1000小時(shí)不丟失；充 電：外配有電池充電器，可直接輸入220V交流電對(duì)機(jī)內(nèi)電池進(jìn)行充電，充電時(shí)間大于等于8小時(shí)。外設(shè)選件■通訊存儲(chǔ)卡：存儲(chǔ)部分容量為1M?8M字節(jié)可選，用于記錄探測(cè)歷史數(shù)據(jù)，可存1千個(gè)左右探點(diǎn)數(shù)據(jù)；通訊部分采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可使儀器與微機(jī)直接通訊；■打印機(jī)：可選用常用打印機(jī)；■PC鍵盤(pán)：可選通用標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤(pán)。6.環(huán)境條件■防爆：本質(zhì)安全型防爆產(chǎn)品，可適用于井下高瓦斯環(huán)境；■防濕：采用密封措施，可適應(yīng)于井下高潮濕環(huán)境；■防塵：采用密封措施，可適應(yīng)于井下高粉塵環(huán)境；■工作溫度:09?409;■相對(duì)濕度:<95%。7.重量規(guī)格重量：主機(jī)重量為4.4Kg，攜帶方便;規(guī)格尺寸:350mmx248mmx88mm。三、物探的使用方法3.1探測(cè)方法及原理依據(jù)探測(cè)目的，在3.1所述各探測(cè)點(diǎn)采用了地震勘探中的單點(diǎn)探測(cè)、反射共偏移探測(cè)，利用該方法進(jìn)行有效的相位對(duì)比與追蹤可獲得反射界面的位置及厚度關(guān)系?，F(xiàn)對(duì)其方法原理作以簡(jiǎn)單介紹。單點(diǎn)探測(cè)，又稱(chēng)單點(diǎn)自激自收法，即接收點(diǎn)和擊震點(diǎn)的距離X趨近于0、反射共

偏移法又稱(chēng)隨地聲納法，依據(jù)反射波勘探原理，在單邊排列基礎(chǔ)上選定最佳偏移距，即最佳反射窗口，采用單道或多道疊加小步長(zhǎng)順移前進(jìn)觀測(cè)系統(tǒng)（圖3-1）。根據(jù)反射波原理，單道觀測(cè)系統(tǒng)有相應(yīng)波路圖（圖3-2），且它的時(shí)距曲線方程為：OA+AS

V偏移距一右壬L 測(cè)線一山檢波點(diǎn)*激發(fā)點(diǎn)單道觀測(cè)系統(tǒng)——偏移距一輛平移一OA+AS

V偏移距一右壬L 測(cè)線一山檢波點(diǎn)*激發(fā)點(diǎn)單道觀測(cè)系統(tǒng)——偏移距一輛平移一（b）臨道觀測(cè)系統(tǒng)〔注：6道同歩以道間距平移〕測(cè)線一2'h2+<4h2+x2

V圖3-1觀測(cè)系統(tǒng)示意圖圖3-2單道觀測(cè)系統(tǒng)波路圖這樣等步長(zhǎng)前移連續(xù)追蹤可得到地下各個(gè)反射界面的剖面時(shí)域波形圖。而多道觀測(cè)系統(tǒng)除了具有某單道效果外，還可進(jìn)行疊加形成多道疊加剖面，也可對(duì)記錄進(jìn)行操作抽取不同偏移距的單道記錄，有利于對(duì)地下介質(zhì)的對(duì)比分析，提高解析能力與精度。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集各測(cè)線參數(shù)設(shè)置本次測(cè)試結(jié)合井下實(shí)際工作條件，在實(shí)測(cè)過(guò)程中采用單點(diǎn)探測(cè)和反射共偏移探測(cè)的方法采集數(shù)據(jù)。探測(cè)施工軟件及硬件系統(tǒng)本次共偏移法探測(cè)采用KDZ1114-3型便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀器設(shè)備本質(zhì)安全防爆，可用于高瓦斯礦井。儀器體積小，重量輕，為便攜式，并可多臺(tái)相互串聯(lián)，構(gòu)成多道工作。傳感器聲波檢層法中采用高頻系列檢波器，其頻率響應(yīng)為 14－2000Hz。震源視實(shí)際情況分別采用落重法即用4公斤重錘進(jìn)行錘擊啟動(dòng)，。具體主要使用的軟硬件系統(tǒng)設(shè)備有：

1．KDZ1114-3便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀主機(jī);2?KDZ震波探測(cè)解析系統(tǒng)軟件（支持WINDOWS界面）;3．信號(hào)傳輸裝置:4通道信號(hào)采集線（10米）;4．信號(hào)啟動(dòng)裝置:多方式啟動(dòng)線（4米）啟動(dòng)觸發(fā)器;5?數(shù)據(jù)通訊裝置:DB9通訊電纜（3米接頭），專(zhuān)用打印機(jī)電纜（1米DB25轉(zhuǎn)DB36）；6?存儲(chǔ)器:COMMEM智能數(shù)據(jù)通訊卡；7?震源激發(fā)接收裝置:高阻尼檢波器（lOOHzx2,4.5Hzx2）;8．輔助工具：8磅錘粉筆若干皮尺1把。3.4資料處理與分析3.4.1處理方法單點(diǎn)和反射共偏移法通過(guò)實(shí)測(cè)中多次垂直疊加消除干擾波采集原始信號(hào)，再進(jìn)行室內(nèi)回放進(jìn)一步細(xì)化處理。對(duì)單道觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具體處理流程如圖3-3所示：圖3-3反射共偏移法處理流程圖3-3反射共偏移法處理流程飾處理包括空間混波、三瞬處理、平滑處理等。對(duì)于多道覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)采集信號(hào)，除了可抽取各偏移距單道記錄進(jìn)行處理外，還可進(jìn)行多道疊加處理，其處理流程如下：預(yù)處理數(shù)字濾波靜校正速度譜動(dòng)校正 >水?平疊加修飾處理——顯示疊加剖面3.4.2處理軟件反射共偏移法本次資料處理是在便攜式礦井地質(zhì)探測(cè)儀機(jī)內(nèi)軟件程序解析的基礎(chǔ)上，結(jié)合KC2000進(jìn)行，該軟件集數(shù)據(jù)錄入、預(yù)處理及各功能模塊與一體，使用方便快捷，解析精度高。KC2000中反射波法處理模塊即可對(duì)共偏移法采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)各項(xiàng)處理。、探測(cè)條件分析4.1地質(zhì)條件煤層在煤系地層中，屬一個(gè)低速、低密度的軟弱夾層。按照波阻抗理論，設(shè)z1為煤層的波阻抗，z2為頂板巖石的波阻抗，則有召=p1V1,Z2=p2V2其中，p,V為介質(zhì)密度和介質(zhì)震波速度。由震波反射原理，波阻抗存在差異的兩層界面的反射系數(shù)R為Z-Zpv-pvR=—1 2=—」 2-^-煤與砂巖的波阻抗差異較大，這表明，該界面是一個(gè)強(qiáng)反射界面，有利于聲波反射法進(jìn)行煤厚及構(gòu)造測(cè)試工作。裂隙作用放頂煤開(kāi)采及巷道掘進(jìn)過(guò)程中，側(cè)幫受應(yīng)力作用，產(chǎn)生大量的垂直張裂隙，在井下實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，這種張裂隙大多呈網(wǎng)格狀切割，從而導(dǎo)致頂板波速的橫向變化較大，限制了小排列地震折射法和反射探測(cè)法，在井下實(shí)測(cè)的相鄰波形，相干性較差。但總可以找到相對(duì)密度的一個(gè)體積元，該體積元被周邊的裂隙所切割，相當(dāng)于形成了一系列的高速波導(dǎo)體，因而在單個(gè)體積元上進(jìn)行自激自收，將會(huì)取得較好的效果。井下空間井下場(chǎng)地限制了其物探方法的工作空間，要想快速、準(zhǔn)確地查明頂煤厚度，就只能采用零偏移距方法來(lái)進(jìn)行。在巷道中或支架中，采用單個(gè)檢波器檢測(cè)單次錘擊所反射回來(lái)的聲波，用自激自收解析法對(duì)聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。震源擾動(dòng)作用在地面地震探測(cè)中，震源在產(chǎn)生有效縱波、橫波的同時(shí)，還產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，這種震波的干擾主要表現(xiàn)在面波和擊震點(diǎn)的延時(shí)作用。在井下采用激發(fā)接收系統(tǒng)時(shí)，最大的技術(shù)關(guān)鍵在于解決這一首要的信號(hào)采集問(wèn)題。根據(jù)干擾的一般特征，可從3個(gè)方面加以限制，提高采集信號(hào)的信噪比。首先，在震源本身上要使用高頻點(diǎn)源，提高震源本身的頻率，我們主要采用震波藕合器及加大擊震力度。其二，接收儀器的前置模擬濾波檔要向高頻移動(dòng)，以采集可靠的高頻反射波，將頻帶門(mén)坎放在面波頻率的高端，限制震源干擾成份進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。其三是使用的聲波傳感器，要求寬頻、高阻尼特征，主要使用美國(guó)mark28，加電阻尼來(lái)構(gòu)造檢波器。只有從震源和傳感器以及儀器這三個(gè)方面，同時(shí)采用壓制干擾的方法，才能起到較好的作用。五、探測(cè)方法原理及解析結(jié)果5.1單點(diǎn)探測(cè)原理單點(diǎn)探測(cè)技術(shù)是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，即反射波中偏移距為零的垂直反射形式。它是通過(guò)接收巖、煤層界面的地震波垂直反射信號(hào)，來(lái)解析計(jì)算目的層距離或厚度的。由反射波時(shí)距曲線方程：4h2+x2=v212,令x二0，則h二巴。式中時(shí)間t可由波形記錄上判讀，波速v須是一已知數(shù)，其取值準(zhǔn)確與否，直接影響到目的層距離或厚度探測(cè)的精度。一般來(lái)說(shuō)，在一定的探測(cè)區(qū)域內(nèi)，巖、煤層的垂向波速都較穩(wěn)定，探測(cè)時(shí)可作波速調(diào)查，弄清各層波速分布狀況，為探測(cè)解析提供依據(jù)。5.2反射共偏移探測(cè)原理其反射共偏移探測(cè)原理與單點(diǎn)探測(cè)是一至的，都是利用反射探測(cè)的原理，只是反射共偏移探測(cè)時(shí)接收點(diǎn)和擊震點(diǎn)有一定的距離即有一定偏移距，這樣做的目的是從時(shí)差上減小震波相互間的干擾。七、經(jīng)濟(jì)效益分析與評(píng)價(jià)（1） 以往用鉆機(jī)探測(cè)距煤距離要浪費(fèi)幾個(gè)班的時(shí)間，不僅浪費(fèi)人力，物力和財(cái)力；且探測(cè)人員體力消耗大，工作環(huán)境差，工作時(shí)間長(zhǎng)，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制有時(shí)也探不成或探不全，或由于角度原因造成誤差。使用儀器探測(cè)，具有用人少、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短探測(cè)時(shí)間、精度滿足儲(chǔ)量管理要求和施工要求的特點(diǎn)，工作效率成倍增加。目前執(zhí)行長(zhǎng)