突出煤层巷道随掘超前探测技术研究

霍晶晶，查华胜，苗园园，梅 欢

(1.山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋城 045300；2.安徽万泰地球物理技术有限公司，安徽 合肥 230000)

矿井突出煤层巷道随掘超前探测是一项技术复杂、受现场环境干扰较大的一种地球物理探测工作。吕绍林、何继善等[1]采用无线电波透视法和槽波地震法的区域性瓦斯突出预测及地质雷达法和层内电测深法的局部性瓦斯突出预测；文光才、赵旭生等[2]利用电磁波透视法结合瓦斯地质统计法预测突出危险区域；张许良、彭苏萍等[3]利用三维地震勘探法预测瓦斯突出危险带；汤友谊、孙四清等[4]应用斜率方差分层、概率统计计算方法，测井曲线计算查明突出矿井构造软煤分布规律；彭苏萍、高云峰等[5]应用AVO技术检测煤层割理裂隙、预测煤层瓦斯富集部位；姚军朋、司马立强等[6]基于地球物理测井定量判识构造煤、预测瓦斯突出。

目前，矿井突出煤层巷道超前探测主要采用电磁波法和传统地震法探测巷道迎头前方瓦斯异常区域。但电磁波法会受到现场杂散电流及电气设备干扰，造成较多的瓦斯异常探测虚报，且超前探测距离有限；传统地震法主要是基于地面三维地震，当瓦斯突出煤层埋深大时，地面三维地震法会受地下构造、岩性影响探测结果。并且电磁波法和传统地震法超前探测过程中，需停止现场生产活动(巷道掘进作业工作等)，严重影响了突出煤层巷道掘进进程。为此，通过长时间的现场试验，研究突出煤层巷道随掘超前探测地震学原理，利用最优的巷道台站网，获取丰富的地震波信号，进行不同地质体地震波响应特征分析及深度域绕射扫描偏移叠加成像，对突出煤层巷道迎头前方的瓦斯包区域进行分析、解释。

1 地球物理响应分析

突出煤层中瓦斯是依附于煤岩体裂缝内，基于岩石物理学分析，瓦斯突出煤层介质纵波速度vp、横波速度vs、弹性模量k、密度ρ计算公式[7]为：

(1)

(2)

(3)

ρ=fgρg+(1-fg)ρc

(4)

式中，vp，vs分别为介质纵波速度、横波速度，km/s；k为介质体积模量，是挤压应力与介质形变的比值，GPa；u为介质剪切模量，是剪切应力与介质变形的比值，GPa；ρ为介质密度，g/cm3；fg为煤岩吸附气所占的百分比，%；Kg为吸附气的体积模量，GPa；Kc为煤岩的体积模量，GPa；ρg为甲烷密度，g/cm3；ρc为煤岩密度，g/cm3。

根据公式(1)～(4)计算，当煤岩体裂隙发育赋含瓦斯时，煤岩体的体积模量及密度随着瓦斯含量的增加而降低，煤岩体的纵波速度降低、横波不发育，即煤岩体密度、纵波速度与瓦斯含量成反比关系。地震波阻抗表征地层介质传播地震波的能力，为介质速度与密度的乘积。突出煤层巷道综掘机切割煤岩体时，因剪切作用产生的地震波在传播过程中遇见含瓦斯较高的煤岩体时，相对于瓦斯含量低的煤岩体，其地震波阻抗会急剧下降，产生一个波阻抗突变区域，当地震波速降低百分比达到 10%～16%[8]，其地球物理响应达到可检测的程度，且根据国际经验法则，地震波阻抗变化率大于4%，即可监测。因此，根据煤岩体波阻抗变化率，进行巷道迎头前方瓦斯包地质区域探测。

2 探测基本原理

突出煤层巷道在掘进过程中，综掘机切割煤体会产生剪切作用，形成沿着巷道轴线方向传播的P波、垂直于巷道轴线方向的SV波、SH波，以及巷道迎头前方煤岩体破裂信号。综掘机剪切作用形成的P波、SV波、SH波会沿着煤层向巷道迎头前方传播，当遇见地质异常体(瓦斯包)时，由于地震波阻抗存在差异，会形成地震回波。因此，将综掘机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，通过布设单轴、三轴阵列式地震传感器，并实时记录随采地震波形，分析地震波的旅行时间、振幅、相位和频率，基于相关干涉理论，利用深度域绕射扫描偏移叠加成像技术，进行巷道随掘三维成像解释。

基于突出煤层巷道随掘超前探测特点，现场采用具有煤安证、防爆证的地震监测系统进行实时数据采集。一方面可以保证监测数据的质量，采用高灵敏度的地震传感器以及低背景噪音的地震采集分站，可以更真实且在高信噪比的条件下记录原始地震波形；另一方面可以达到实时采集，通过采用矿井照明电给地震监测系统24小时不间断供电，保证了巷道随掘过程中原始数据的时效性。

突出煤层巷道随掘超前探测系统台网布设如图1所示。在突出煤层工作面掘进巷(以进风巷为例)迎头后方布设1套24通道地震监测系统，地震传感器编号S1～S8(三分量地震传感器)，台站间距10m，布设于巷道工作面煤层壁帮。由于巷道随掘过程中迎头后方10m之内安全性较差、10～20m之内煤灰较大，因此，迎头后方第1支地震传感器S1根据现场环境布设在迎头后方10～20m范围内，迎头每推进20m，最后1支地震传感器S8往前移动80m，距离最新巷道迎头10～20m，整个监测系统随着巷道掘进而交替前移地震传感器。地震传感器安装钻孔深度3m，俯角孔3°，如图2所示。

图1 突出煤层巷道随掘超前探测台网布设

图2 突出煤层巷道地震传感器安装

3 地震波形处理

通过对突出煤层巷道随掘超前探测原始地震波形数据进行预处理、旋转、滤波、初至拾取、能量均衡、反褶积、相关性分析等，从震动波波场的角度，利用地震波对地质体内部三维结构进行反演成像，以实现突出煤层随掘巷道迎头前方的地质异常体(瓦斯包)探测，如图3所示。

图3 突出煤层巷道随掘超前探测数据处理过程

(1)建立地质模型 基于监测区域煤层特性、地震波传播路径原理，在现场主动击打试验的基础上，且利用VCT速度模型校正技术，定义其煤层地质模型：vp(纵波)、vs(横波)、ρ(密度)。

(2)坏道剔除、零漂归位 原始地震波形在实时采集的过程中，会出现少数地震道不可用，需剔除坏道以及去除采集仪器本身的直流漂移影响。

(3)时频分析 通过对原始地震波形进行时域及频率域分析，获得有效波(综掘机切割煤岩体剪切作用产生的回波信号)及干扰波的频率特性差异，通过陷波、带通滤波方式压制干扰信号，提高原始波形数据的信噪比。

(4)地震信号反褶积处理 反褶积，即反滤波或者解卷积。通过压缩基本子波的长度，来压制背景噪音和巷道里的多次波，以提高地震资料(时间域)的垂向分辨率。突出煤层巷道随掘超前探测系统布设空间存在限制，相对于煤层地震波速，巷道地质异常体之间的空间距离在时间域上较短，其地球物理界面间距一般为几米至几十米，它们的到达时间差和子波延续时间重叠、与煤岩体的微破裂信号彼此干涉，形成复合波而难以区分。因此，为了提高地震波的垂向(时间域)分辨能力，便于波形识别，利用反褶积技术将每个界面的地震波表现为一个窄脉冲，每个脉冲的强弱与界面的反射系数的大小成正比，而脉冲的极性反映界面反射系数的符号，即将延续时间较长的子波压缩成为一个反映界面反射系数的窄脉冲，将复合波解析为多个地震波，提高原始地震波形的垂向分辨率。

(5)地震信号相关性分析 通过分析各道间的相似程度、求取初至静校正时移量，进行地震子波求取和相关滤波，去除微震采集分站影响，为巷道随掘超前探测三维反演成像提供相关的数据道集。

(6)巷道随掘超前探测三维成像 基于其地质模型，进行互相关处理，得到将巷道壁帮上的其中一个微震传感器作为震源，其余传感器接收时的格林函数，在互相关处理后，获得随掘巷道相关数据道集，根据地震监测系统的传感器实时三维空间坐标及震源点信息，进行巷道随掘超前探测三维反演成像。

4 应用效果分析

根据突出煤层巷道随掘超前探测台网布设原则，于2018年5月17日至5月24日、2018年5月26日至5月31日在寺家庄煤矿15110工作面进风巷进行了超前探测试验。

4.1 巷道概况

15110工作面15号煤层为回采煤层，工作面标高550～610m，煤层倾角1°～10°，平均倾角为4°，直接顶、直接底均为砂质泥岩。煤层赋存较为稳定，整体起伏变化不大，瓦斯含量整体较高，有煤与瓦斯突出危险性，预计最大瓦斯含量为12.0m3/t，预计最大瓦斯压力为0.4MPa，预计最大瓦斯涌出量为10m3/min。

4.2 数据处理

(1)地质模型建立 基于寺家庄煤矿15110工作面煤层特性、地震波传播路径原理，在现场主动击打试验的基础上，利用VCT速度模型校正技术，定义其地质模型：vp为3000m/s；vs为1800m/s；ρ为1700kg/m3。现场击打试验原始地震波形如图4所示。

图4 现场击打试验原始地震波形

(2)地震信号分析 寺家庄煤矿15110工作面进风巷随掘过程中出现的回波信号，如图5所示。

图5 15110工作面进风巷随掘回波信号

(3)预处理 对15110工作面进风巷的原始地震波形数据进行坏道剔除、零漂归位以及时频分析，如图6所示。进风巷随掘超前探测原始地震信号主频：50～700Hz。因此，所设置的滤波器频率也主要集中在上述主频内。

图6 巷道随掘超前探测数据预处理

(4)反褶积、相关性分析 通过对寺家庄煤矿15110工作面进风巷随掘超前探测数据进行地震信号反褶积处理及地震信号相关性分析，分别如图7、图8所示。

图7 地震波信号反褶积处理

图8 地震波信号反褶积处理

4.3 效果对比分析

根据突出煤层巷道随掘超前探测数据处理流程，对寺家庄煤矿15110工作面进风巷原始地震波形进行处理，获得其巷道随掘超前探测三维成像结果。2018年5月17日至5月24日随掘超前探测结果如图9所示，并对其进行水平洞轴切片如图10所示；2018年5月26日至5月31日随掘超前探测结果如图11所示，并对其进行水平洞轴切片如图12所示。图中色标表征归一化后的波阻抗变化率(单位：1)，暖色调为波阻抗高变化率，当波阻抗变化率大于30时，表征为瓦斯包地质异常区域。

图9 15110工作面进风巷1139m处随掘超前探测三维成像

图10 15110工作面进风巷1139处XOY切片 0m位置—水平洞轴切片

图11 15110工作面进风巷1174m处随掘超前探测三维成像

图12 15110工作面进风巷1174处XOY切片 0m位置—水平洞轴切片

(1)2018年5月17日至5月24日随掘超前探测分析 寺家庄煤矿15110工作面进风巷随掘超前探测迎头位置为1139m，迎头前方瓦斯包预测异常区域为1169～1174m。于5月29日4点班，经现场孔测量K1值及钻屑量，显示瓦斯超标。K1值为0.5mL/(g·min1/2)、钻屑值为3.8kg/m，与随掘超前探测结果吻合。

(2)2018年5月16日至5月31日随掘超前探测分析 寺家庄煤矿15110工作面进风巷随掘超前探测迎头位置为1174m，迎头前方瓦斯包预测异常区域为1202～1209m。于6月4日8点班，经现场孔测量K1值及钻屑量，显示瓦斯超标。K1值为0.73mL/(g·min1/2)、钻屑值为3.2kg/m，与随掘超前探测结果吻合。

(3)钻孔瓦斯预测预报 寺家庄煤矿15110工作面进风巷掘进过程中，地质物探和超前钻探未出现构造，实际掘进过程中也未揭露构造，K1值实测显示存在瓦斯异常，详见表1。

表1 寺家庄煤矿15110工作面进风巷K1值实测

5 结 论

(1)突出煤层巷道随掘超前探测技术施工方便，可长时间持续监测，不受巷道掘进机组、胶带支架和巷道积水等影响，能与巷道掘进施工并存，监测系统随着突出煤层巷道掘进而前移。

(2)煤层赋存高瓦斯，地震波在传播的过程中，会出现非常大的地震波阻抗变化，基于此变化率进行巷道迎头前方瓦斯富集区探测。

(3)将综掘机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，基于多源地震理论及相关干涉理论，利用巷道随掘超前探测三维成像技术进行时域、频域分析、相关干涉及随掘地震成像，探测瓦斯异常带。