陳 勇,趙清全,吳教錕,王海軍,劉百祥,曹運(yùn)飛

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037;3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037;4.云南滇東雨汪能源有限公司 雨汪煤礦一井,云南 曲靖 655000;5.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

煤體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯富集、煤層突變、應(yīng)力集中、裂隙發(fā)育、陷落柱、老舊空巷等均是礦井安全開(kāi)采的隱蔽致災(zāi)因素。我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜、開(kāi)采難度大,尤其是深部煤體賦存環(huán)境的本真屬性以及深部開(kāi)采擾動(dòng)時(shí)效的附加屬性,使煤體開(kāi)采伴生災(zāi)害更加難以預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)防控[1]。煤礦安全高效開(kāi)采迫切要求隱蔽致災(zāi)因素的動(dòng)態(tài)普查與精準(zhǔn)探測(cè);同時(shí),礦井自動(dòng)化、智能化開(kāi)采模式的推廣與應(yīng)用,對(duì)透明地質(zhì)的要求逐步提升[2]。

基于電磁波導(dǎo)波特性的無(wú)線電波透視、地震波投射反演的地震槽波探測(cè)是目前常用且效果明顯的超前探測(cè)技術(shù),相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了豐富的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。梁慶華等[3]通過(guò)研究無(wú)線電波透視探測(cè)瓦斯富集區(qū)的曲線特征,結(jié)合坑透CT成果和實(shí)測(cè)曲線異常衰減變化實(shí)現(xiàn)煤層地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯富集以及突出危險(xiǎn)區(qū)劃分。吳燕清[4]提出根據(jù)綜合曲線和CT層析成像來(lái)劃分和圈定異常區(qū)。婁杰等[5]綜合無(wú)線電波透視、三維地震重新解釋準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回采工作面構(gòu)造帶附近小構(gòu)造發(fā)育與分布特征。文獻(xiàn)[6-7]研究回采工作面斷層構(gòu)造無(wú)線電波反射測(cè)量方法以及陷落柱三維無(wú)線電波透視響應(yīng)特征。吳榮新等[8]分析無(wú)線電波探測(cè)儀器、觀測(cè)系統(tǒng)、成像算法等方面的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況?？到▽嶽9]開(kāi)展電磁波探測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)敏感性研究。王康等[10]通過(guò)槽波試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、濾波和CT層析成像等方法獲得槽波波速圖,用于指導(dǎo)礦井防沖工作與防治水。田玉培等[11]、梁慶華等[12]、楊智華[13]定量分析瓦斯富集區(qū)地震波能量值與瓦斯值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,研究地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)煤層瓦斯富集區(qū)特征以及瓦斯富集區(qū)對(duì)透射槽波的響應(yīng)特征與反演參數(shù)。王會(huì)林等[14]、蘇曉云[15]研究槽波反射在礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的應(yīng)用特征與效果分析。崔偉雄等[16]研究工作面煤層厚度透射槽波高精度反演,提出層析成像頻帶優(yōu)選策略,提高了群速度反演煤層厚度的精度。尹永明等[17]通過(guò)微震、應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得煤巖破壞、應(yīng)力變化和瓦斯涌出之間量化關(guān)系。

目前,通過(guò)無(wú)線電波透視、地震槽波反演的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,衍生了兼顧穿透距離與結(jié)果分辨率的多頻無(wú)線電坑透[18]、無(wú)線電波反射勘探[7]、無(wú)線電波透視場(chǎng)強(qiáng)增量[19]以及新型CO2震源的瓦斯富集與應(yīng)力變化隨掘隨探[20]、掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘地震超前探測(cè)[21]等新型探測(cè)方法。但對(duì)于無(wú)線電波透視與地震槽波探測(cè)相結(jié)合的地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯富集震-電探測(cè)技術(shù)以及與之對(duì)應(yīng)的工程響應(yīng)與佐證分析、基于瓦斯涌出變化的震-電探測(cè)驗(yàn)證等暫未開(kāi)展深入研究。本文借鑒前人理論研究成果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,采用無(wú)線電波與地震槽波相結(jié)合的震-電探測(cè)開(kāi)展工作面地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯富集探測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)線電波透視層析成像、地震槽波反演以及與之對(duì)應(yīng)的地質(zhì)解釋,可為工作面通風(fēng)與瓦斯治理提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo),也可為礦井智能精準(zhǔn)開(kāi)采透明化地質(zhì)提供參考借鑒。

1 震-電探測(cè)原理

1.1 無(wú)線電波透視探測(cè)

無(wú)線電波在煤巖傳播時(shí),電阻率、介電常數(shù)等礦電性參數(shù)不同,對(duì)電磁波能量的吸收表現(xiàn)出一定的差異,電阻率低、吸收作用大;伴隨著煤巖斷裂構(gòu)造或空洞界面對(duì)電磁波產(chǎn)生折射、反射、繞射等作用,造成電磁波能量的損耗。通過(guò)研究煤層、巖層以及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)電磁波傳播、吸收、反射、二次輻射、繞射等作用的影響引起的衰減異常,從而進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)與解釋。無(wú)線電波透視的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別位于不同巷道或鉆孔中,同時(shí)做等距離移動(dòng),逐點(diǎn)發(fā)射和接收;或發(fā)射機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定位置,接收機(jī)在一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值獲取信息。因此,當(dāng)巷道之間、鉆孔之間電磁波穿透煤巖途徑中,存在斷層或其它不均勻地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、含水地段,電磁波能量就會(huì)被吸收或完全屏蔽,信號(hào)顯著減弱形成透視異常,交換發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的位置測(cè)得同一異常交會(huì)的地方,就是地質(zhì)異常體。根據(jù)無(wú)線電波透視探測(cè)原理,當(dāng)煤層電阻率大于頂?shù)装鍘r層時(shí),煤層中相當(dāng)于圍巖形成的類波導(dǎo)體,電磁波在煤層中以導(dǎo)波形式傳播,具有衰減小、能量強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),有利于坑道透視探測(cè)地質(zhì)異常體。無(wú)線電波透視原理如圖1所示,層析成像網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖1 無(wú)線電波透視原理Fig.1 Principle of radio wave perspective

圖2 層析成像網(wǎng)格剖分示意Fig.2 Schematic diagram of tomographic imaging grid subdivision

圖2中每個(gè)均勻的小塊稱為1個(gè)像素,在此區(qū)域內(nèi)有1條射線Yk穿過(guò)了吸收系數(shù)分別為βi,j的諸像素,并在這些像素上的截距分別為di,j,這樣在第k條射線路徑上如式(1)～(2)所示:

(1)

yk=InH0-InHk-Inrk

(2)

式中:Hk為第k次觀測(cè)的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值;rk為第k條射線長(zhǎng)度。

若進(jìn)行多重觀測(cè),即用多個(gè)波源發(fā)射,并對(duì)每個(gè)發(fā)射源進(jìn)行多點(diǎn)接收測(cè)量,得到矩陣方程如式(3)～(5)所示:

DβT=yk

(3)

(4)

β={β1,1,β1,2,…,βi,j}

(5)

對(duì)線性代數(shù)方程組求解,可得到工作面內(nèi)吸收系數(shù)分布。把每個(gè)像素內(nèi)吸收系數(shù)值用圖(色塊圖、灰度圖、等值線圖)表示出來(lái),就是層析圖像。圖像可直觀表示工作面內(nèi)異常分布情況,并可依據(jù)圖像做出相應(yīng)的地球物理解釋。

1.2 地震槽波探測(cè)

由于頂?shù)装鍘r性不同,煤層中激發(fā)體波的波分能量被禁錮,不能向周圍巖層輻射,在煤層中相互疊加、干涉,形成較強(qiáng)的干涉擾動(dòng)后衍生槽波,槽波是1種地震波。煤層內(nèi)炮點(diǎn)產(chǎn)生的地震波向頂?shù)装鍌鞑?在A區(qū)由于地震波的入射角小于臨界角,一部分能量透過(guò)頂?shù)装逑驀鷰r中泄露,另一部分能量反射回煤層內(nèi)部形成泄露區(qū)。在B區(qū)和C區(qū)入射角大于臨界角,地震波在頂?shù)装褰缑姹蝗瓷浜腿凵浠孛簩?該部分反射和折射回煤層之中的地震波在C區(qū)相互疊加混響形成槽波。由于槽波被限制在煤層中,所以能傳播很遠(yuǎn),但槽波與煤層厚度有關(guān),煤層越薄,槽波頻率越高、傳播距離越短。槽波形成如圖3所示。

注:φs為入射角,(°);φs*為臨界角,(°)。圖3 槽波形成示意Fig.3 Schematic diagram of in-seam waves formation

傳統(tǒng)的槽波信號(hào)處理都是基于平穩(wěn)信號(hào)時(shí)的不變系統(tǒng)。為了更好地研究地震信號(hào),了解頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系,使用時(shí)頻分析方法處理信號(hào)。時(shí)頻分析方法將一維時(shí)域信號(hào)映射到二維時(shí)頻平面,全面反映地震信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合特征。時(shí)頻變換是1種無(wú)損可逆的時(shí)頻分析工具,是短時(shí)窗傅里葉變換和小波變換的結(jié)合,其正反變換如式(6)所示:

(6)

式中:S為h(t)的S變換;f為頻率,Hz;t為時(shí)間,s;τ為控制時(shí)間軸上高斯窗的位置。

通過(guò)分析槽波與P波、S波的頻譜差異,利用窄帶濾波提取P波、S波、槽波的頻譜特征參數(shù)進(jìn)行層析成像,即CT成像。通過(guò)在物體外部的非破壞性測(cè)量,獲得物體內(nèi)部物性分布的圖像。槽波勘探利用震波CT成像技術(shù),根據(jù)物體外部數(shù)據(jù)測(cè)量反演物體內(nèi)部物理量分布,得到清晰不重疊的分布圖像。

2 工程背景與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 工程背景

試驗(yàn)地點(diǎn)為云南滇東雨汪能源有限公司雨汪煤礦一井1010201工作面,開(kāi)采C2煤層,全層厚0.12～6.65 m,平均1.13 m,層位穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的薄～中厚煤層。煤層為單一結(jié)構(gòu),偶有一層夾矸,為半暗型中～富硫煤,塊煤為主。頂板多為灰黑色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖,含黃鐵礦結(jié)核、產(chǎn)腕足類等動(dòng)物化石,是老廠礦區(qū)長(zhǎng)興組同期異相含煤沉積中含長(zhǎng)興階標(biāo)準(zhǔn)化石的最低層位。C2煤層為井田內(nèi)第1層可采煤層,根據(jù)巷道掘進(jìn)揭露情況,工作面多產(chǎn)出斷層構(gòu)造,未見(jiàn)大型陷落柱,工作面及周邊無(wú)大規(guī)模巖溶空洞和老窯采空區(qū)。掘進(jìn)期間共揭露正斷層28條、逆斷層2條及小型褶曲構(gòu)造,其中,落差50 m以上斷層2條,落差20～50 m斷層1條,落差20 m以下斷層27條。

工作面煤層電阻率相對(duì)高,頂?shù)装宥酁槟鄮r或泥質(zhì)粉砂巖,電阻率相對(duì)偏低;工作面內(nèi)部斷層、陷落柱等對(duì)電磁波產(chǎn)生一定透射衰減;理論上,具備無(wú)線電波透視探測(cè)的地球物理前提條件。工作面兩側(cè)巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露落差較大的斷層可能造成煤層變薄或缺失,對(duì)地震槽波有一定影響,工作面槽波形成條件總體一般。

2.2 無(wú)線電波透視系統(tǒng)布置

無(wú)線電波透視在工作面膠帶巷、軌道巷開(kāi)展,每間隔約10 m遞增標(biāo)記直至切眼,同時(shí),以巷道導(dǎo)線點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),記錄標(biāo)記點(diǎn)偏差校正測(cè)點(diǎn)位置。本次探測(cè)范圍為切眼、軌道巷、膠帶巷圍成的區(qū)域。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),工作面寬度130 m以內(nèi)常選用1.50 MHz頻率、200 m以內(nèi)常選用0.50 MHz頻率、200～300 m常選用0.30 MHz頻率。試驗(yàn)工作面寬度210 m,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),0.30 MHz頻率能穩(wěn)定接收到16～52 dB,0.50 MHz、1.5 MHz接收到15 dB以下,選擇0.30 MHz頻率為探測(cè)工作頻率能夠有效穿透。探測(cè)均采用定點(diǎn)掃描法(1對(duì)11),在巷道一點(diǎn)處定時(shí)連續(xù)發(fā)射,同時(shí)在對(duì)側(cè)巷道一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)接收。工作面無(wú)線電波透視測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

探測(cè)發(fā)射點(diǎn)間距50 m、共85個(gè),接收點(diǎn)間距10 m、共462個(gè),除停采線處每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn),共采集數(shù)據(jù)935個(gè),測(cè)線長(zhǎng)度約4 260 m。另外,試驗(yàn)發(fā)射點(diǎn)2個(gè)、每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn);布置3處背景場(chǎng)接收點(diǎn),3種頻率共采集數(shù)據(jù)99個(gè);檢查發(fā)射點(diǎn)3個(gè),每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn),接收點(diǎn)33個(gè),共接收數(shù)據(jù)154個(gè)。試驗(yàn)點(diǎn)、探測(cè)點(diǎn)、檢查點(diǎn),累計(jì)接收數(shù)據(jù)1 089個(gè)。探測(cè)時(shí)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射時(shí)間、接收時(shí)間、換發(fā)射點(diǎn)時(shí)間均2 min。每個(gè)發(fā)射點(diǎn)循環(huán)4 min,實(shí)際探測(cè)工作時(shí)間約6 h。結(jié)合工作面布置與工作量,探測(cè)工作分2 d進(jìn)行。2022年7月15日探測(cè)試驗(yàn),膠帶巷發(fā)射、軌道巷接收,工作時(shí)間約3 h,停電3 h;2022年7月16日探測(cè)試驗(yàn),膠帶巷接收、軌道巷發(fā)射,檢查點(diǎn)探測(cè),工作時(shí)間約3 h,未停電。無(wú)線電波透視工作量見(jiàn)表1。

2.3 地震槽波系統(tǒng)布置

槽波探測(cè)在工作面一側(cè)激發(fā)另一側(cè)接收,實(shí)現(xiàn)透射地震勘探。結(jié)合工作面情況,本著測(cè)線盡量使地震波旅行射線在工作面均勻分布、不出現(xiàn)射線空白等原則,槽波探測(cè)采用雙透射探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)。探測(cè)工作共布置4個(gè)測(cè)站,具體布置見(jiàn)表2,雙透射探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

表2 工作面槽波探測(cè)布置明細(xì)Table 2 Detailed arrangement of in-seam wave detection in working face

圖5 工作面槽波雙透射探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Double transmission detection system of in-seam waves in working face

槽波探測(cè)共布置炮孔134個(gè),各孔均位于煤層中央且大致平行于底板略帶俯角,孔深2 m,間距20 m。采用最小延時(shí)(I段)瞬發(fā)雷管,每炮孔裝入300 g乳膠炸藥,正向裝藥且炮泥封堵至炮眼的孔口;連接好爆炸起爆器和儀器啟動(dòng)器,待接收站和激發(fā)站安裝就緒后,電話聯(lián)絡(luò)開(kāi)啟儀器,設(shè)置好參數(shù),由接收站指揮激發(fā)站放炮,記錄各炮波形信號(hào)數(shù)據(jù)。槽波地震探測(cè)采用槽波采集系統(tǒng)和TZBS系列傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,共布置TZBS傳感器80個(gè)、采集基站6臺(tái),地震采集大線6根、啟動(dòng)線1根。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)地震儀器為16通道×8通道,采樣頻帶2 500 Hz低通,采樣長(zhǎng)度16 K,采樣間隔100 μs,固定增益-48～-81 dB,采樣延遲0.0 ms。

3 探測(cè)可靠性分析

3.1 無(wú)線電波透視可靠性

無(wú)線電波透視現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)時(shí),通過(guò)發(fā)射時(shí)接收的場(chǎng)強(qiáng)值與未發(fā)射時(shí)的背景場(chǎng)強(qiáng)值,差值不小于10 dB,同時(shí)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域與構(gòu)造欠發(fā)育區(qū)域,二者接收?qǐng)鰪?qiáng)差值不小于5 dB,即可有效識(shí)別異常。對(duì)于無(wú)線電波透視數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),劃分為合格與不合格2類,主要依據(jù)數(shù)據(jù)的跳躍性來(lái)判別。針對(duì)個(gè)別離散跳躍點(diǎn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄,查看是否存在金屬、積水等低阻干擾,或突然來(lái)電等突發(fā)情況,若存在類似情況,則該跳躍點(diǎn)為不合格數(shù)據(jù)。本次探測(cè)儀器工作穩(wěn)定,接收數(shù)據(jù)較穩(wěn)定,接收數(shù)據(jù)較完整。對(duì)工作面局部存在金屬體干擾不影響觀測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了保留;實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,介于10～60 dB,原始數(shù)據(jù)達(dá)到探測(cè)要求。工作面無(wú)線電波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 無(wú)線電波透視實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Measured data curves of radio wave perspective

3.2 地震槽波探測(cè)可靠性

槽波探測(cè)共布置炮點(diǎn)134個(gè),有效炮60個(gè),炮點(diǎn)平均距離20 m。為保證精度,實(shí)際計(jì)算以實(shí)測(cè)點(diǎn)距帶入運(yùn)算,激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在巷道空間平面位置如圖7所示。

圖7 激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)平面位置Fig.7 Plane positions of excitation and reception points

探測(cè)質(zhì)量以射線在探測(cè)區(qū)域覆蓋次數(shù)與疊加次數(shù)來(lái)衡量,探測(cè)區(qū)域射線覆蓋次數(shù)大于10次,符合礦井震波探測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,原始地震資料質(zhì)量可靠。探測(cè)區(qū)域覆蓋次數(shù)與疊加次數(shù)如圖8所示。深藍(lán)色區(qū)域疊加次數(shù)比較少,相對(duì)較低的疊加次數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果受某道信號(hào)系統(tǒng)誤差影響;對(duì)應(yīng)探測(cè)區(qū)域兩側(cè),即工作面切眼和停采線探測(cè)反演結(jié)果可信度稍低。中間橙色區(qū)域疊加次數(shù)高,反演結(jié)果可靠度較高。

圖8 探測(cè)區(qū)域覆蓋次數(shù)與疊加次數(shù)Fig.8 Detection area coverage and stacking times

根據(jù)地震信號(hào)不同種類波的發(fā)育情況,工作面內(nèi)體波較為發(fā)育且同相軸連續(xù),說(shuō)明工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)較為均勻且穩(wěn)定,無(wú)明顯突變情況。槽波在部分炮孔區(qū)域發(fā)育,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄,槽波發(fā)育區(qū)域與工作面煤厚趨近一致,在工作面下切眼煤厚較為均勻且頂?shù)装鍡l件較好、槽波發(fā)育明顯,停采線后和斷層集中發(fā)育區(qū),煤層缺失影響槽波發(fā)育[22]。體波與槽波發(fā)育情況如圖9所示。

圖9 體波與槽波發(fā)育情況Fig.9 Development of body waves and in-seam waves

4 震-電探測(cè)工程響應(yīng)與佐證分析

4.1 無(wú)線電波層析成像與地質(zhì)解釋

無(wú)線電波探測(cè)對(duì)工作面異常體有較好的反映,根據(jù)衰減系數(shù)值大于0.431 8、相對(duì)衰減值大于10 dB,共探測(cè)并圈定異常區(qū)域7處,依次編號(hào)YC1～YC7。工作面無(wú)線電波透視CT如圖10所示,無(wú)線電波透視地質(zhì)解釋見(jiàn)表3。

表3 無(wú)線電波透視地質(zhì)解釋Table 3 Geological interpretation of radio wave perspective

圖10 工作面無(wú)線電波透視CTFig.10 Radio wave perspective CT of working face

4.2 地震槽波反演與地質(zhì)解釋

震波勘探使用體波、槽波聯(lián)合反演。由于工作面煤層較薄、連續(xù)性較差,槽波發(fā)育不佳,最終反演結(jié)果以縱波波速反演為準(zhǔn)。根據(jù)反演結(jié)果,工作面內(nèi)部存在較多速度異常區(qū)域,局部高速異常區(qū)未貫穿整個(gè)工作面,速度差異較大;工作面整體呈中間位置速度低,兩側(cè)位置整體速度偏高。根據(jù)工作面巷道布置、地質(zhì)資料及反演結(jié)果速度差異,工作面探測(cè)區(qū)域大型構(gòu)造發(fā)育5個(gè),部分小型異常構(gòu)造發(fā)育[23]。根據(jù)槽波能量衰減系數(shù)反演結(jié)果,標(biāo)注1#～7#異常區(qū)以及部分未圈定異常區(qū)域。工作面反演如圖11所示。

1#異常區(qū)緊貼工作面上切眼,工作面來(lái)壓釋放,應(yīng)力集中的局部高速異常區(qū),分析為煤層產(chǎn)狀變化局部節(jié)理、斷層發(fā)育影響所致。2#異常區(qū)為斷層及裂隙發(fā)育影響所致。3#異常區(qū)延展形態(tài)呈U型,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與地質(zhì)情況,分析為斷層及裂隙發(fā)育影響所致。4#異常區(qū)延展形態(tài)呈條帶狀,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與地質(zhì)情況,分析為斷層發(fā)育及巷道為全巖所致。5#異常區(qū)延展形態(tài)呈條帶狀,波速明顯高于周圍區(qū)域,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與地質(zhì)情況,分析為斷層發(fā)育影響所致。6#異常區(qū)呈凸形分布,指向斷層延展方向,波速明顯高于其他區(qū)域,且在靠近工作面軌道巷異常也有微弱的響應(yīng),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與地質(zhì)情況,分析為斷層發(fā)育影響所致。7#異常區(qū)呈三角形分布,指向斷層延展方向,波速明顯高于其他區(qū)域,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與地質(zhì)情況,分析為斷層發(fā)育影響所致。圖11中未解釋為異常的區(qū)域,主要是緊鄰巷道側(cè)幫位置青綠色區(qū)域,該低速區(qū)域由巷道側(cè)幫向工作面內(nèi)延伸較近,未完全貫穿工作面且速度值偏低。從震波信號(hào)上來(lái)看,主要是受微小斷層影響,使煤層連續(xù)性變差,局部可能煤層缺失。

4.3 震-電探測(cè)工程響應(yīng)

結(jié)合震-電探測(cè)結(jié)果,將工作面綜合劃分為5個(gè)區(qū)段。Ⅰ段距切眼0～190 m,斷層、裂隙發(fā)育段,落差約1倍煤厚;Ⅱ段距切眼190～420 m,正常煤層段;Ⅲ段距切眼420～520 m,斷層、裂隙發(fā)育段,落差大于1倍煤厚;Ⅳ段距切眼520～590 m,正常煤層段;Ⅴ段距切眼590～750 m,斷層、裂隙發(fā)育段且瓦斯富集。結(jié)合工作面地質(zhì)揭露,在Ⅰ段揭露1～2 m斷層,Ⅲ段揭露6.50～8.50 m斷層,與探測(cè)結(jié)果相符;Ⅱ、Ⅳ段未揭露地質(zhì)構(gòu)造,為正常煤巖段,與探測(cè)結(jié)果相符;Ⅴ段揭露2～4 m斷層,異常區(qū)與三維地震預(yù)測(cè)斷層位置對(duì)應(yīng)。工作面震-電探測(cè)區(qū)劃如圖12所示。

圖12 工作面震-電探測(cè)區(qū)劃Fig.12 Zoning of seismic electrical detection in working face

為確定震-電探測(cè)結(jié)果可靠性,基于震-電探測(cè)結(jié)果以及結(jié)合巷道布置與地質(zhì)揭露等確定的工作面區(qū)劃,根據(jù)工作面回采期間瓦斯涌出進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)瓦斯涌出情況,在斷層與裂隙發(fā)育區(qū)瓦斯涌出有較明顯的增大,瓦斯涌出規(guī)律對(duì)探測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出較好的工程響應(yīng),有效驗(yàn)證了工作面地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯富集區(qū)域震-電探測(cè)結(jié)果。另一方面,根據(jù)震-電探測(cè)結(jié)果與工作面推進(jìn)期間瓦斯涌出變化情況,充分說(shuō)明煤體內(nèi)部斷層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯賦存有較大影響。震-電探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證為礦井瓦斯賦存規(guī)律研究與礦井瓦斯抽采提供了理論依據(jù),尤其對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤與瓦斯突出防治和煤體瓦斯強(qiáng)化抽采提出了超前預(yù)警[24]。基于瓦斯涌出的震-電探測(cè)驗(yàn)證如圖13所示。

4.4 震-電探測(cè)佐證分析

無(wú)線電波透視實(shí)際區(qū)域較大,異常區(qū)域多為貫穿式帶狀分布。由于斷層等地質(zhì)構(gòu)造低電阻體特性使電磁波產(chǎn)生反射、折射和吸收,當(dāng)電磁波在煤層中傳播時(shí),穿透斷層等地質(zhì)構(gòu)造的衰減強(qiáng)度大于正常煤層,衰減系數(shù)較大、實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值較低。對(duì)于單個(gè)斷層,當(dāng)斷層走向與工作面走向垂直,衰減曲線呈較小的V形、接收?qǐng)鰪?qiáng)值中只有極少的明顯低值、在CT圖中陰影區(qū)呈條帶狀;當(dāng)斷層走向與工作面走向平行,衰減曲線整體較正常煤層偏低、無(wú)明顯跳變。地震槽波探測(cè)實(shí)際區(qū)域相對(duì)較小,異常區(qū)域多在邊界,邊緣相對(duì)清晰,異常區(qū)形態(tài)延展呈現(xiàn)U型、帶狀、凹凸形、三角形等不規(guī)則。工作面內(nèi)部存在較多速度異常區(qū)域,局部高速異常區(qū)未貫穿整個(gè)工作面,速度差異較大;工作面整體呈中間位置速度低,兩側(cè)位置整體速度偏高。根據(jù)無(wú)線電波透視與地震槽波反演探測(cè)結(jié)果,在斷層等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域異常區(qū)劃分具有較好的一致性,2種不同方式的探測(cè)結(jié)果互為驗(yàn)證[25]。

5 結(jié)論

1)通過(guò)無(wú)線電波現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),0.30 MHz頻率無(wú)線電波穿透工作面后穩(wěn)定接收到16～52 dB,采用定點(diǎn)掃描(1對(duì)11)方法,基于90個(gè)發(fā)射點(diǎn)、491個(gè)接收點(diǎn)、1 089個(gè)采集點(diǎn)、4 760 m測(cè)線長(zhǎng)度的系統(tǒng)布置,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在10～60 dB,原始數(shù)據(jù)達(dá)到探測(cè)要求。根據(jù)探測(cè)衰減系數(shù)大于0.431 8、相對(duì)衰減值大于10 dB的原則圈定探測(cè)區(qū)域異常區(qū),實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)線電波透視的層析成像與地質(zhì)解釋。

2)通過(guò)地震槽波現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),工作面內(nèi)體波發(fā)育且相軸連續(xù),槽波發(fā)育區(qū)域與工作面煤厚趨近一致,基于4個(gè)測(cè)站、134個(gè)炮孔、268個(gè)觀測(cè)點(diǎn)、2 640 m測(cè)線長(zhǎng)度的雙透射探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng),射線在探測(cè)區(qū)域覆蓋次數(shù)與疊加次數(shù)大于10次,符合震波探測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)體波與槽波聯(lián)合反演,在探測(cè)區(qū)域圈定大型構(gòu)造發(fā)育異常區(qū)以及部分小型構(gòu)造發(fā)育異常異常區(qū),實(shí)現(xiàn)工作面地震槽波反演與地質(zhì)解釋。

3)根據(jù)無(wú)線電波透視與地震槽波探測(cè)結(jié)果,結(jié)合巷道布置與地質(zhì)揭露等情況,將工作面綜合區(qū)劃,包括斷層與裂隙發(fā)育段、正常煤層段、斷層與裂隙發(fā)育且瓦斯富集段。根據(jù)工作面回采期間瓦斯涌出情況,在斷層與裂隙發(fā)育區(qū)的瓦斯涌出有較明顯增大,瓦斯涌出規(guī)律對(duì)探測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出較好的工程響應(yīng),有效驗(yàn)證工作面地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯富集區(qū)域震-電探測(cè)結(jié)果,可為工作面通風(fēng)與瓦斯治理提供較好的理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo),也可為礦井智能精準(zhǔn)開(kāi)采的透明地質(zhì)提供參考借鑒。