专利名称：矿井工作面巷间震波ct探测方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井工作面面内地质异常体探测技术，尤其涉及对工作面面
内断层、夹矸、煤厚变化区、陷落柱等地质异常体进行探测的矿井震波CT探测技术。
背景技术：
在煤矿生产过程中，特别是新型矿井综合机械化采煤手段的不断应用，对煤 矿的生产勘探资料的要求越来越高了。煤矿安全生产要求做到"一通三防"。这 里讲的"三防"就是指防水、防火、防瓦斯；"一通"是指通风。要做到这几点， 首先要对矿井内的开采地质条件(如断层、褶皱、破碎带、夹矸、煤厚变化区、 陷落柱、构造应力区等)进行了解。而常规的地面三维地震勘探只能解决工作面 面内落差大于5m的断层，且在位置上常有大于10m的摆动幅度；井下其他的物 探方法经常受到金属支架、水管、金属导体、动力设备、各种电缆特别是与地面 导通的电话线、信号线等客观因素都对信号造成很大的干扰。从理论上看，震波 CT技术完全可以探査采矿生产中的地质异常条件。实际应用中将层析成像的原 理应用于地球物理勘探，通过野外数据采集与处理，预测出地下地质异常体，能 准确地判断其构造形态和空间位置。有了全面、准确的生产地质条件资料后才能 制订出最为合理的开采措施来指导生产，这样有利于提高生产效率，提高煤炭资 源的利用率，有效地指导采矿生产的快速、高效地进行，避免重大人员和财产损 失，做到安全高产高效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对矿井工作面面内断层、夹矸、煤厚变化区、 陷落柱等地质异常体进行探测，本发明提出了一种矿井工作面巷间震波CT探测 方法，提高了面内地质异常体的探测精度，具有探测数据可靠性高，探测方法简 捷，探测结果清晰直观、精度高，完全能满足釆矿生产的技术要求等优点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 矿井工作面巷间震波CT探测方法，其特征在于包含以下步骤 1)先在矿井采煤工作面的一条巷道施工激发炮孔，其参数通常如下位置位于巷道靠近采煤工作面一帮； 孔深1.2-1.8m;
孔向水平垂直于帮且指向采煤工作面面内； 孑L径能放进炸药即可； 炮孔间距10 15m;
炮孔高度全部打在巷道腰线处，即距巷底高度相同约1.2-1.8m ;
药量每炮孔装入70 120g乳胶炸药； 装炮正向装药，黄泥封堵至炮眼的孔口；
2)在工作面的另外一条巷道布置接收地震波信号的检波器序列，观测系统中 检波器要求布置在距巷道底板上1.2-1.8m高度，检波器的间距在10 15m，可 将钢钎打入煤层，并将检波器固定在钢钎上达到检波器耦合条件，要求钢钎平行 于顶底板，如遇岩石的检波点做好编录，检波器连接到数据记录装置；
3) 上述步骤完成后，逐一引爆炮孔炸药，激发矿井工作面地震波，观测系 统中的各检波器同时接收采集矿井工作面地震数据；多次放炮后最终完成矿井工 作面地震数据的采集工作；
4) 数据处理时，以激发接收点位置与工作面关系建立坐标系，确定观测系 统的各炮孔、各检波器位置坐标参数，形成参数文件；选择合适的网格单元，对 探测区域进行网格划分，形成一个个尺度大致相同的像元，并把像元内的平均波 速值作为其中心点的值；网格形成后，结合不同波组的旅行到时拾取，并利用巷 间震波CT层析成像技术进行不同方法的反演计算，主要利用直射线和弯曲射线 方法进行地震波旅行时间追踪，利用算术联合迭代方法(SIRT法)、最小二乘法
(LSQR法)等进行反演计算，重建工作面内二维波速等图像，进一步得出地震 波纵、横波波速、动弹性模量等属性参数的CT反演切片；
5) 根据波速、动弹性模量等多属性参数的异常及工作面巷道揭露地质资料 进行综合分析，判定工作面内构造特征及其分布规律，形成工作面构造特征综合 解释图。
所述的矿井工作面巷间震波CT探测方法，其特征在于炮眼和检波器的设 置处可以是矿井工作面上下的两条巷道，也可是切眼或联络巷等，检测的是炮孔 与检波器之间部分的地质条件，能形成工作面内地质条件多属性CT切片图。本发明的优点
1、 提高了探测精度能査明矿井工作面巷道已揭露的落差lm以上的断层在 工作面内的延展情况；能查明矿井工作面内落差大于3m隐伏断层在工作面内的 延展长度、延展方向；能査明矿井工作面内煤层厚度小于lm的"煤厚变薄带" 的分布发育情况。
2、 增加了穿透的距离和射线覆盖次数单孔炸药药量在70 120g之间源检 距可以达到1000m，避免由于交叉站造成射线稀疏区域甚至盲区，从而有效的增 加了射线覆盖次数。
3、 探测方法简便，效果好。
4、 探测结果清晰直观、精度高，完全能满足采矿生产的技术要求。
5、 数据可靠性高不受巷道支护方式、金属支架、水管、金属导体、动力 设备、各种电缆、信号线等的影响，数据可靠性高。
图1是矿井巷间震波CT探测系统示意图； 图2是纵波速度CT切片及其解释图； 图3是工作面综合地质解释图； 图4是工作面回采后煤层厚度等值线分布图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，矿井工作面双巷震波CT探测方法，
包括下述步骤
1)激发采用孔中炸药震源方式。通常先在一巷道如图l所示上巷施工一排
炮孔，第一炮离工作面切眼约2m，第二炮以后每隔10 15ra施工一个炮孔。其 炮孔参数通常如下 孔深1.5m;
孔向水平垂直于帮且指向工作面面内； 孔径以矿用风钻(一般直径42mm)为准，能放进炸药即可； 炮孔高度全部打在巷道腰线处，即距巷底高度约1.5m(或确保在同一水平高 度)；
雷管的选择选取和炮孔数相同或略多于炮孔数的同一批次雷管，最好是最小延时(I段)瞬发雷管；如果不是此种雷管，后续资料的处理需要对雷管延时进行 校正。
药量每炮孔装入70 120g乳胶炸药；
装炮正向装药，黄泥封堵至炮眼的孔口。
为了防止爆炸对邻近孔的破坏，增加邻近孔的装药难度，并根据实际工作的 统筹安排，现场可一次性将炮孔装好药或每十炮一装，但是必须一炮一放。如果 遇到异常时如断层可适当在断层在两盘揭露区加密激发点。
2) 同时在如图1下巷布置检波器，观测系统的检波器要求布置在距巷道底
板上1.5m高度，检波器的道间距在10 15m，可将钢钎打入煤层，如遇岩石的 检波点做好编录，要求钢钎平行于顶底板，并将检波器固定在钢钎上达到检波器 耦合条件。
3) 按照上述方法采用逐个引爆炮孔炸药、各检波器同时记录矿井工作面地 震波数据的观测方式，釆用连续高效放炮，保证最大扇形覆盖范围和叠加次数， 最终完成矿井工作面地震数据的采集工作。在建立坐标系后确定观测系统的各炮 检点坐标参数，利用巷间震波CT层析成像技术进行反演计算，得出CT反演切片， 并根据地震波速度等属性参数进行地质构造解释。
实例某矿328工作面面内地质条件较为复杂，工作面整体为一单斜构造， 工作面机、风巷共揭露5条断层。为了查明这些断层在工作面内的连通及延展情 况，进行了本次双巷震波CT探测。炮点布置在风巷中，共48个炮点，炮点距平 均为10m;检波点布置在机巷中，共计48个，点距平均为10m。为保证精度，实 际计算时以实测点距带入运算。利用自行研制开发的矿井震波CT资料解析处理 软件进行反演得出纵波波速切片如图2所示。
该工作面从2005年2月22日开始回釆，在回采至4月29日的时切眼处遇 见了断层，为此在2005年5月7日对此工作面进行了 CT探测， 一直到2006年 1月26日因前方的大断层的阻碍而被迫收作，目前该面已经完全回采结束。通 过工作面回采所揭露的实际地质构造特征与CT探测结果相对比吻合很好，其对 地质异常体的探测精度达到90%以上。SIRT法固定慢度初值对照解析，标注了断 层和纵波相对低速区的界线，高速区主要和断层近乎一致在图中以断层直接标 出。图2中波速分布总体较为均一，说明煤层整体上较为稳定。1) 探査所解释的四条断层中3条断层Fjsl、 Fjs2、 Fjs4，和实际揭露的吻 合很好(如图3所示)。其中回采过程中因断层Fjs2的影响而重新开了切眼；由 于断层Fjsl不仅落差大而且在面内的延伸较长，因而阻碍了工作面的顺利回采， 最终因无法越过该断层而被迫收作。对比发现，Fjs3断层的判断与实际地质揭 露有点出入，该位置实为一应力集中区。由图4回采煤层厚度等值线图可知该 处是由于正断层Fjs2和逆断层Fjs4相互挤压，使得煤层增厚并且受到了较大的 压力作用，导致此处应力集中使得波在煤层中的传播速度相对增大，表现为高速 效应。
2) 探査所解释的3个断层影响区GY1、 GY2、 GY3，只有回采通过了 GY3这 个断层影响区，回采所揭露实际断层FJs4造成的影响范围与CT探测结果相一致。 而GY1、 GY2由于在回采的过程中受断层的影响太大而没有直接通过，这与实际 地质条件相吻合。
从而验证了该探测技术系统的可靠性和有效性。
权利要求
1、矿井工作面巷间震波CT探测方法，其特征在于包含以下步骤1)先在矿井采煤工作面的一条巷道施工激发炮孔，其参数通常如下位置位于巷道靠近采煤工作面一帮；孔深1.2-1.8m；孔向水平垂直于巷帮且指向工作面面内；孔径能放进炸药即可；炮孔间距10～15m；炮孔高度全部打在巷道腰线处，即距巷底高度相同约1.2-1.8m；药量每炮孔装入70～120g乳胶炸药；装炮正向装药，黄泥封堵至炮眼的孔口；2)在工作面的另外一条巷道布置接收地震波信号的检波器序列，观测系统中检波器要求布置在距巷道底板上1.2-1.8m高度，检波器的间距在10～15m；可将钢钎打入煤层，将检波器固定在钢钎上达到检波器耦合条件，要求钢钎平行于顶底板，如遇岩石的检波点做好编录，检波器连接到数据记录装置；3)上述步骤完成后，逐一引爆炮孔炸药进行地震波激发，要求引爆电雷管为同一批次且具有最小延时。观测系统中的各检波器同时接收采集各个观测点地震波数据；多次放炮后最终完成矿井工作面地震数据的采集工作；4)数据处理时，以激发接收点位置与工作面关系建立坐标系，确定观测系统的各炮孔、各检波器位置坐标参数，形成参数文件；选择合适的网格单元，对探测区域进行网格划分，形成一个个尺度大致相同的像元，并把像元内的平均波速值作为其中心点的值；网格形成后，结合不同波组的旅行到时拾取，并利用巷间震波CT层析成像技术进行不同方法的反演计算，主要利用直射线和弯曲射线方法进行地震波旅行时间追踪，利用算术联合迭代方法(SIRT法)、最小二乘法(LSQR法)等进行反演计算，重建工作面内二维波速等图像，进一步得出地震波纵、横波波速、动弹性模量等属性参数的CT反演切片；5)根据波速、动弹性模量等多属性参数的异常及工作面巷道揭露地质资料进行综合分析，判定工作面内构造特征及其分布规律，形成工作面构造特征综合解释图。
2、根据权利要求1所述的矿井工作面巷间震波CT探测方法，其特征在于炮眼 和检波器的设置处可以是矿井工作面的两条巷道，也可是切眼或联络巷，并能形 成工作面内地质条件多属性CT切片图。
全文摘要
本发明公开了矿井工作面巷间震波CT探测方法，是矿井工作面面内地质异常体的一种高精度探测方法——震波CT探测，类似医学CT，是指以煤矿采煤工作面作为研究对象，利用上下两条巷道进行CT探测的实用技术。观测系统是指激发点与接收点在空间上相对关系，通常把激发点(采用矿用炸药作为震源)布置在一条巷道，接收点布置在另外一条巷道，采用“一发多收、一炮一放”的观测方式。在建立坐标系后确定观测系统的各点坐标参数，利用巷间震波CT层析成像技术进行反演计算，得出工作面内地震波速等CT反演切片，来准确有效地判定工作面内地质构造及异常体迹线。对地质构造及其异常解释具有较好的针对性，可为矿井安全生产提供可靠的技术参数。该方法提高了震波CT探测技术的应用面及其在矿井工作面面内地质异常体探测的准确性。
文档编号G01V1/40GK101581789SQ20091011712
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者刘盛东, 周官群, 张平松 申请人:刘盛东