煤矿井下随采地震探测技术发展综述

煤矿井下地震勘探的炸药震源受火工品管控影响大,且无法实现煤矿开采动力地质灾害的监测预警;随采地震是以采煤机为震源的地震探测新技术。本文回顾了国内外随采地震技术的研究现状,介绍了随采地震的方法原理和独特优势,并开展了一些先导性的试验研究利用。结果表明:采煤机震源具有激发能量强、频带宽、安全绿色经济、可重复等特点,可以作为随采地震探测的被动震源;采煤机震源与炸药震源的地震炮集记录接近,后者单炮信噪比相对较高;随采地震数值模拟、大数据动态处理等关键技术急需协同攻关。尽管随采地震尚处于试验研究阶段,但是它将成为未来透明工作面三维动态地质建模、开采动力地质灾害监测预警等重要手段,代表了今后煤矿智能探测技术的发展方向。

基于分段波形互相关的井下随采地震数据成像

随采地震勘探是以采煤机为震源的被动地震探测技术,由于采煤机是不断移动的、且其激发的是一种连续信号,因此常规数据处理方法无法直接应用。提出分段波形互相关方法,通过将采煤机产生的数据分段,采用互相关方法提取有效信号的走时,然后利用速度层析成像方法对工作面内部和切眼前方进行速度成像。利用波动方程对含异常体的工作面模型进行随采地震数值模拟,反演得到的成像结果和速度模型基本吻合;实际随采地震数据测试中,利用该方法对采煤机震源数据反演得到采动过程中地震波传播速度的成像结果,实现了对工作面内应力异常变化区域的实时动态监测。研究结果表明:基于分段互相关成像方法能解决采煤机震源信号处理问题,满足随采地震勘探技术实时性和稳定性的要求。

随采地震数据质量定量评价

在采煤工作面布设了随采地震监测系统后,为了自动筛选实时不间断传输回地面的巨量地震数据,利用采煤机积极割煤时,各接收道收到的信号相关性强,反之则弱这一特点,提出了一种自动定量化评估随采地震数据质量的方法。对内蒙某矿随采地震数据进行了处理,结果证明该方法能有效识别出单道的相关能量峰,对数据质量定量评价的效果很好。利用此法筛选了贵州某矿随采地震监测数据,将优选数据叠加后,数据的信噪比得到了明显的改善,相关能量轴明显增强。该方法可从海量随采地震数据中快速筛选出高质量的数据,大幅缩减进一步处理的工作量,改善处理效果。

采煤工作面随采地震探测技术研究进展——以贵州岩脚矿12701工作面为例

随着煤矿从自动化开采向智能化开采发展,煤炭地质保障系统正在迈入精准智能探测新阶段。近十多年来,矿井槽波地震勘探技术在煤矿采掘阶段探测煤层内断层、薄煤带、陷落柱等隐蔽致灾体方面效果显著,但槽波地震探测技术在应用过程中依然存在一些问题:炸药震源应用受限,施工时对煤矿生产活动有一定影响,一致性静态探测无法实现对煤岩动力灾害的监测。随采地震以采煤机作为震源,实现对采煤工作面内静态地质构造高精度探测和开采动力灾害的监测预警,为采煤工作面的地质透明化、开采智能化提供数据支撑。该技术也逐渐成为煤矿井下地震勘探的研究热点。以贵州岩脚煤矿12701智能工作面随采地震的试验为例,介绍随采地震在采集系统设备、采集方案、采集软件和处理软件架构设计、数据处理方法和流程等方面的最新研究进展,并讨论分析探测成果。这些成果表明:①从获得的随采地震干涉记录来看,采煤机截割震动作为随采地震的震源是适合的,可以获得高信噪比的虚拟炮集记录;②设计的随采地震采集系统、观测系统、采集处理软件架构和随采地震数据处理流程是合理可行的,能够满足随采地震实时、自动、大数据量等要求,整体运行稳定性良好;③随采地震能够探测采煤工作面的静态构造和应力动态变化,可为未来工作面透明化动态地质建模、回采过程中煤岩动力灾害监测预警提供数据和技术支持。

煤矿井下随采地震反射波勘探试验研究

为了在煤矿巷道掘进阶段对掘进工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报,在对煤矿巷道掘进机的震动信号进行分析和研究,找到使其能够替代炸药震源的数据处理方法的基础上,提出了用煤矿巷道掘进机作为震源进行随采地震反射波超前勘探的构想,并在某矿进行了试验,研究了此法对已知巷道系统和由地质揭露推测的断层探测效果。结果表明:以掘进机为震源的随采地震探测技术,能够清晰分辨出来自巷道侧帮的反射波,对巷道距离的探测误差小于2%;对来自断层的反射波也有反映,对断层距离的最大探测误差小于20%,展示了随采地震技术实现采掘与探测同步、探测保障采掘的技术潜力。

随采地震井–地联合超前探测的试验研究

为了对煤矿巷道掘进前方上覆地层的地质异常进行实时超前探测,提出了利用采掘机械为震源、在震源附近布设参考道、在地面接收其透射地震波的井–地联合随采地震方法。在某矿利用采煤机做震源进行了试验,并将试验结果与同一矿井相邻工作面某掘进巷道井下放炮、地面接收的数据做了对比。结果表明:采煤机震源的数据与炸药震源的数据,纵波初至均清晰可辨,能量都较强,横波能量团的可辨识度比较接近。这说明在采掘机械附近布设检波器采集源场信号,在地表布设测线接收透射地震波,能获得与放炮震源相似的地震记录。该技术可用来监视上覆地层在采动过程中的变化,且有潜力实现监控级地震超前勘探。

随采地震监测数据采集控制软件开发

随采地震能够对工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报,成为近几年的研究热点,但是目前还没有能够在煤矿井下开展随采地震长期连续监测的装备及配套软件。为了解决这个问题,基于Microsoft Foundation Classes(MFC)开发框架,开发了一套随采地震监测数据采集软件,在室内、野外进行了为期3个月的联调测试,并且在贵州岩脚煤矿与井下随采地震监测设备开展了为期3个月的全面试运行。测试表明,软件实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和处理软件的实时通信功能,具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护、无人值守等优点。

随采地震噪声衰减研究

鉴于煤矿井下环境的封闭性及对安全生产的高要求特点,炸药震源在煤矿井下地震勘探施工中存在众多局限性,而以采煤机作为震源可以规避炸药震源的许多固有缺陷,具有可以在不影响回采工作面正常作业的情况下对工作面内部构造及应力开展实时探测的优势。但由于采煤机产生的能量远小于炸药震源,因此采集到信号的质量通常受到环境噪声影响,通过分析大量实际数据发现噪声中能量占比较多的为单频噪声和随机噪声,严重影响探测精度。为提高随采地震数据信噪比,提出了同时衰减单频噪声和随机噪声的方法,首先基于互相关技术在构建常规炮集记录的同时衰减单频噪声,然后通过小波变换衰减随机和残余单频噪声,通过模拟数据和实际数据证实,该方法可以在很大程度上提高信号的信噪比。

随采地震数据处理软件开发与应用

以采煤机作为震源的回采工作面随采地震探测技术是获取精准开采地质条件、提高工作面内部地质异常体探测精度、实现无人/少人化智能开采的关键,具有广泛的应用前景。而常规的地震数据处理软件不能满足随采地震数据实时、连续不间断、大数据量等要求。通过分析随采地震探测技术的数据处理软件的需求,提出了分层、多任务的随采地震数据处理软件(SWM)的框架体系,并详细介绍了软件框架中各层、各任务的组成成分及其功能。该系统集数据管理、数据展示、数据处理和成果展示于一体,满足随采地震数据实时、连续及大数据量的需求。

孔–巷联合随采地震相关时差层析成像

煤矿井下回采工作面随采地震技术将采煤机作为震源,实现了动态精准、绿色智能探测的技术构想,可用于工作面内部静态地质异常体与开采动力地质灾害的超前探测。针对常规随采地震观测系统存在的成像盲区问题,提出孔–巷联合的随采地震观测系统设计方案,有效提高成像范围;基于地震干涉原理,采用频率域相关算法,对随采地震信号进行脉冲化处理,获得随采地震等效炮集;为解决随采地震CT层析成像中绝对走时难以获取的问题,提出直接利用相关时差进行CT层析成像的方法,求解过程中无需计算发震时刻,降低对初始速度的依赖。理论模型和实际资料测试结果表明:孔–巷联合观测系统有效扩大了成像范围;基于相关时差的随采地震层析成像方法可以对工作面内部进行速度成像,实现对静态地质异常体的探测;利用随采地震连续监测、动态成像的特点,还可实现对工作面内由于采动引起的应力集中区的实时动态监测,对工作面安全监测更有意义。

综采工作面随采地震的采煤机震源模拟

为了分析以采煤机作为震源接收到的随采地震数据的波场特征,从正演模拟的角度出发,通过将采煤机截割方式及滚筒的受力情况转换为震源力函数的形式,以不同时间不同位置的荷载分布作为震源对波动方程进行加载,采用高阶交错网格有限差分法对波动方程进行求解,得到正演单炮数据。最终,数值模拟得到的随采地震数据显示出,采煤机震源激发的波场中,横波能量占据主导地位,纵波能量较小,且在高频数据中,y分量上有明显的槽波存在,其极化特征显示出该槽波为Love型槽波。最终,模拟数据与实际采集的y分量数据对比表明,二者在波场成分及分布方面具有较高的相似性。

智能开采工作面随采地震监测系统研究

煤矿智能化开采的示范和推广要求工作面在设计和回采阶段对煤层赋存特征进行高精度探测。针对工作面内部的煤层顶底板赋存形态、构造形态及采动地质演化等智能开采地质保障问题,设计一种用于回采工作面地质信息动态探测、监测的随采地震监测方案。系统集成采煤机地震数据采集、多源数据分析融合、三维地质建模及随采数据与采掘设备交互反馈等功能;实现回采前建立工作面静态三维地质模型,回采过程中利用随采地震结果和综采设备监测数据动态修改初始静态三维模型。本方案统筹利用工作面智能开采的地质成果,可以为智能开采工作面规划、运行与决策提供技术支持。

钱营孜煤矿W3233工作面随采智能物探技术应用

随着煤矿从自动化开采向智能化开采发展,煤矿地质保障系统正在迈入精准智能探测新阶段。近年来,矿井物探技术发展迅速,技术的进步使巷道地质异常体的检测更加精准,为了保证施工操作的安全性,必须做好煤矿生产过程的动态监控,及时发现隐患问题并采取管控措施,营造安全的煤矿开采环境。随采地震以采煤机截割震动作为震源,结合随采电法监测,实时完成工作面前方地质构造的可视化及水害预警,提高工作面回采效率。以钱营孜煤矿W3233工作面的试验为例,从采集系统、观测系统、数据处理等方面对随采智能物探技术的应用进行了探讨,并简要分析了超前成像结果。

采煤机震源有效信号提取及初步应用

基于采煤机震源的随采地震能实现工作面的实时探测,但采煤机震源有效信号的提取方法还需要做全面研究。笔者利用互相关干涉作为主要数据处理方法,对比研究了采煤机位于不同位置时,不同频带内的波场特征;还对比了参考信号检波器位于不同位置时的影响;初步对一个已知煤层尖灭进行了随采地震探测。研究发现:利用互相关干涉技术能够将采煤机的连续震动稳定地转化为脉冲炮集,且信号在1~500 Hz频带和700 m传播距离内都有较高的信噪比,其中槽波和巷道面波是主要的震相,而参考信号的选择对干涉结果有一定的影响。研究认为,利用互相关干涉方法能够提取采煤机的有效信息,能量和频带宽度都符合随采地震的要求。

基于孔间地震细分动态探测的透明工作面方法

透明工作面是煤矿智能开采的重要组成部分,为智能开采提供工作面的详细地质构造信息,提出一种基于孔间地震密集动态探测的透明工作面方法,能够实现工作面的渐进式精细探测。该方法是以采煤机为震源的随采地震方法的进一步发展,主要利用平行于切眼的一系列水平孔对工作面进行细分探测,随着采煤工作的逐渐推进,利用孔间地震方法对细分区域进行精细成像。与已有的随采地震方法比较,本方法具有明显的优点。首先,射线覆盖更加均匀且无盲区。第二,探测区域被细分所以探测精度更高。第三,因为利用地震干涉的“虚”震源方法能得到高信噪比的单炮,可进一步提高探测精度。该方法能够适应智能开采透明工作面的目标要求,有望成为智能开采的重要组成部分。