HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

煤矿岩巷TBM掘进随掘地震信号特征及其应用

随掘地震超前探测技术可实现探掘平行,为巷道快速智能掘进场景下实时、精准地质保障提供了可能。随掘震源产生的是复杂、变频、连续信号,信号特征认知直接影响数据处理与成像精度,而目前针对岩巷全断面掘进机(TBM)随掘地震信号特征的认知仍不清晰,且暂时还没有针对性开展过信号处理与成像研究工作。针对上述问题,以谢桥煤矿瓦斯治理巷TBM随掘地震超前探测试验为例,分析了刀盘先导信号与岩壁接收信号的时间域、频率域及时频域特征:岩巷TBM随掘地震信号中不同振幅能量成分比例呈现金字塔形,但分布随机,不对称程度较高;机械运转信号能量较大,刀盘先导信号强度是岩壁接收信号的200倍左右;频率域变频特征明显;机械运转信号基础频率较低,刀盘先导信号频率成分主要集中在10~80 Hz与150~200 Hz,主频为36.99 Hz,岩壁接收信号频率成分主要集中在50~200 Hz,主频为137.97 Hz;刀盘先导信号较岩壁接收信号时频域能量团分布更为规则,多次震源激发现象明显,能量团之间的差异性特征表明了多次震源激发时振幅能量与持续时间的随机性。利用脉冲化算法与绕射叠加偏移成像方法对岩巷TBM随掘地震信号进行数据处理与成像试验,结果表明:(1)脉冲化等效单炮记录与利用常规震源得到的超前探测单炮记录特征一致性较强,同相轴清晰且连续性较好,可满足现场探测分析需要。(2)对探测范围内岩体情况的超前预报结果与实际揭露情况一致,说明岩巷TBM随掘地震超前探测可提供有效地质保障。

随掘地震在乌海矿区断层超前预测中的应用研究

为解决乌海矿区智能化建设面临的透明地质保障问题,选择利民煤矿I030902工作面运输巷开展随掘地震探测工程,依托已有工业环网构建井地随掘地震实时数据传输网络和监测预报系统,在掘进机正常作业的同时,将巷道内采集的随掘地震数据实时传输至地面监控中心,经过数据筛选、脉冲化和偏移成像等步骤实现巷道掘进前方断层的随掘随探,共跟踪掘进长度1 268 m,为期54 d,预报6处断层,准确率75%,最大平面摆动误差6 m,验证效果较好。结果表明:随掘地震探测系统能够在巷道掘进的同时实现巷道前方断层的超前预报和跟踪探测,对多条断层具有良好的成像效果,可准确预测断层位置并及时反馈,保障了巷道掘进作业的安全高效开展。

地震超前探测技术在煤矿中的应用研究

采用新一代高速、高分辨矿井地震仪在某矿掘进面进行超前探测研究。由于采空区、断层等地质异常破坏了煤层的完整性,与原煤(未开采煤层)相比会表现出不同的物理性质,主要体现在介质的密度和地震波的传播速度这2方面,针对这一物理现象可利用地震波法进行煤矿地震勘探研究。煤层巷道地震超前探测技术是利用在煤层内部激发的地震波遇到异常反射体(如断层、陷落柱、巷道和采空区等)时产生的反射波,对反射波反射点进行反射归位可得到异常反射体的反射面,根据反射面的走向判断反射体特别是断层的走向等信息。利用地震超前探测技术原理,根据反射时距曲线的负视速度特征,采用了线性Radon变换技术进行上下行波分离,从而来提取反射波信息进行解释。对巷道前方异常的钻探验证表明,钻探结果与物探探测成果吻合。

恒晋煤业槽波物探技术在采空区探查中的应用研究

恒晋煤业在生产中发现边界处存在资源整合前小煤窑破坏区。为解决巷道安全掘进及工作面布置问题,对比不同探测方法后,根据具体地质条件采取槽波地震探测方法对小煤窑采空区进行探测以查找采空区边界范围。然后进行钻探验证,最终精准查明了采空区情况,合理优化了工作面布置,提高了煤炭资源回收率,保障了矿井安全生产和生产接替,取得了显著的经济效益和社会效益。

超前探测技术在TBM施工隧洞中的应用研究

TBM施工时常会遇到复杂的地质环境,为了将地质灾害影响的程度降到最低,在TBM施工过程中,对隧道开挖工作面前方的地质条件进行超前预报变得尤为重要。以新疆某引水隧洞工程为实践背景,介绍地震波法超前探测技术和激发极化法超前探测技术的基本原理及其特点,分析TBM施工隧洞掌面前方的断层破碎带的超前探测应用的可行性,阐述地下水的发育状况。研究结果表明:在TBM施工隧洞中,地震波法超前探测技术和激发极化法超前探测技术的综合应用具有可行性和实用性,可为类似工程中的TBM安全快速掘进提供参考。

TST和CFC技术在管片拼装隧道超前地质预报中的改进和应用

为解决盾构及TBM施工隧道地质构造和围岩含水探测的难题,在TBM引水隧洞中进行试验。改进在管片结构下TST(tunnel seismic tomography)观测系统的布置方式;针对大断层等高危不良地质体开展三维地震波法的超前地质预报研究试验;改进CFC(complex frequency conductivity)的观测方式,结合地震波方法,开展对刀盘前方围岩含水情况综合预报研究试验。以斯里兰卡埃勒黑勒运河、秘鲁圣佳旺Ⅲ水电站和菲律宾卡利瓦大坝引水隧洞等工程为例,介绍盾构及TBM施工隧道超前地质预报技术的工程实践。研究结果表明,针对软硬岩互层、大断层、含水构造不良地质体,该方法在实践中具有较好的应用效果。

随掘超前探测技术在掘进巷道中的应用

在巷道工作面掘进施工过程中,常常会遇到各种异常地质状况,为保障矿井工作面掘进安全,必须查明巷道前方地质异常体的位置、影响程度和影响范围。以黄陵一号煤矿626回风顺槽随掘超前探测为例,简述了随掘超前探测技术的基本原理、施工方法以及布置方式,探讨了该技术在探测巷道前方异常体中的应用。该技术利用掘进机截割煤壁时所诱发的震动作为被动地震震源,随着迎头的推进,迁移监测台站,达到对工作面前方100 m范围的实时监测,实现对掘进前方内部静态地质异常体的精细探测以及突出危险区等动态灾变条件的监测预警。通过钻探及后期巷道实际揭露资料,验证了该方法的有效性,该方法能提前为井下工作面掘进透明地质探查提供可靠依据,为安全施工提供有力保障,对矿井巷道超前探测具有一定的推广意义。

非在线式随掘地震与钻爆法超前探测技术对比研究

地面钻探与三维地震成果显示山东某矿103_(下)03工作面东侧发育1条最大落差近300m的边界断层,利用YTZ3(B)型自记式地震仪在103_(下)03工作面运输巷开展非在线式随掘地震与钻爆法超前探测断层的对比试验,非在线式随掘地震解释断层上盘与设计切眼最近距离110m,断层面较平直,走向约62°;钻爆法超前解释断层上盘与设计切眼最近距离108 m,断层面较平直,走向约61°。试验结果显示:非在线式随掘地震、钻爆法超前探测与地面钻探与三维地震综合解释的断层边界基本一致,3种独立的探测方法互相印证,提高了断层边界位置的探测精度,也表明了非在线式随掘地震探测巷道前方断层的有效性。

超前探测仪孔内贴壁耦合装置优化设计

针对现有超前探测仪孔内贴壁耦合装置使用过程中存在的长度长、重量大、煤矿下井携带不便、难以取出回收等问题,根据地震波的特点优化设计了2种孔内贴壁耦合方案。通过对实验数据、综合性能与耦合装置的便利性进行综合评估,结果表明:弹片耦合装置更适用于煤矿井下地震波超前探测,且具有干扰波少、稳定性好的探测优势,可以达到回收利用、便携安装、施工简易的目的。

离线式随掘地震超前探测技术先导性试验

渭北煤田澄合矿区中小型地质构造较发育,探索适用于澄合矿区的地质构造超前精准探查方法,对构建渭北复杂地质条件下高效智能地质保障体系具有重要意义。随掘地震超前探测利用综掘机截割煤壁产生的震动信号实现巷道前方地质构造的探测,无需使用炸药震源提高了施工的安全性;无需停止掘进作业提高了探测效率,该技术具有广阔的应用前景。选择地震波发育的董家河煤矿为试验区,先导性试验了离线式随掘地震在澄合矿区的应用效果,获得了董家河煤矿5号煤层随掘地震反射地震波波速等参数资料,为随掘地震在澄合矿区的推广和应用做出有益探索。

矿井巷道地震反射波超前探测波场处理方法研究

掘进工作面突水、煤与瓦斯突出等事故频发迫切需要精细超前地球物理探测技术,反射地震波法是地质构造超前探测预报的重要手段,而波场分离、偏移成像是反射波地震超前探测的关键处理技术。对比分析运动学、动力学波场分离及偏移成像技术,提出了一种巷道全空间条件下的反射波动态极化偏移成像方法;实际巷道超前探测对比试验表明,极化偏移成像具有消除对称异常假象、提高空间分辨率的效果。

深部岩层不良地质构造地震层析成像技术研究

以中铝公司铝土矿运输巷道和金川公司镍矿978探矿道为工程背景,对TRT6000地震层析成像技术检测原理、识图方法、巷道工程概况进行介绍,对不良地质构造进行定性、定量的预报,为巷道快速掘进和稳定性分析提供详细的地质依据。探测结果与巷道后期开挖情况对比表明:TRT6000超前探测技术对不良地质构造灵敏度高,探测距离远,勘测结果准确、直观、全面。初步探讨TRT6000在深部巷道探测方面的局限性,同时指出在深部巷道超前探测试验中,TRT6000地震层析成像技术需注意的问题,研究结果对类似工程实践具有一定的参考价值。

矿井多波多分量地震勘探超前探测原理与实验研究

为了长距离超前探测煤矿井下的地质构造情况,应用多波多分量地震勘探理论,介绍DTC-150井下长距离超前探测仪的基本原理,研究该仪器的井下测量方法与资料处理解释原则,并应用该仪器对不同的矿井进行超前预报探测实验。研究结果表明:采用DTC-150井下超前探测仪器能够较准确地探测到掘进面前方100m内断层、围岩裂隙、岩石破碎带以及富水情况,据由该仪器获得的波速对围岩进行分类。

综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用

隐伏地质构造的超前预报是预防煤矿突水事故的关键。为查明龙岩市大弯煤矿+10巷道迎头前方构造的发育分布状况及富水性,在分析断层构造的弹性、电性等地球物理特征前提下,结合井下巷道现场实际生产环境,采用震波超前探和瞬变电磁法对+10巷道前方导水地质构造实施综合探测和分析。结果表明:地震与瞬变电磁综合物探方法较单一方法具有较大的成果解释精度优势,其现场观测可充分利用先实施的震波超前探测技术定位断层等构造位置,进而实施瞬变电磁超前探测技术予以补充验证,并根据电阻率异常判别其富水情况,能够为巷道施工和防治水措施的实施提供更准确的地质和水文地质参数。

煤巷地震超前探测数值模拟及波场特征研究

用交错网格有限差分法对煤巷内不同地质模型中的弹性波场进行了数值模拟,分析了不同地质模型中的波场特征和各类波型的传播特征。研究表明:在工作面前方的构造界面上会产生能量较强的绕射波,绕射波波至最迟与其它波波至时间间隔较大,波列较宽是识别工作面前方存在构造界面的特征波。虽然在工作面前方构造界面上产生的反射波也标志工作面前方存在构造界面,但易与干扰波混杂在一起不易识别提取。

高分辨率地震反射技术在煤层风氧化带探测中的应用

矿井2052工作面靠近五煤风氧化带,巷道掘进过程中出现不同程度的煤层冲刷变薄甚至消失,为了解工程地质情况,在胶带巷掘进迎头和侧帮采用井下三分量多测线联合观测,将现场采集的数据处理后,绘制出相应的地震剖面和三维数据体视图,据此推算出迎头前方约90-120m存在异常反射带,侧帮异常界面深度介于24-36m之间。经现场钻探验证分析,风氧化带边界位于胶带巷靠工作面一侧30m范围内,而迎头未能探测到煤层,建议在原探点掘进约50m后再进行探测。

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。

灾害地质体超前探测技术研究现状与思考

总结了地下灾害地质体超前探测技术的研究现状和趋势;针对应用中存在的主要问题,提出了几点思考;对不同灾害地质体采用不同的地震反射波法与直流电法组合,通过数值模拟、模型试验和井下实验的观测和分析,找出有效、快速的综合观测方法,及其应用条件和最佳观测系统,提高超前探测的距离、精度和准确性。

新型矿井多波多分量地震反射波观测系统的设计

针对DTC-150防爆地质超前探测仪在工程应用中存在的几个问题,提出了研制新型矿井多波多分量地震反射波观测系统的必要性。通过对大量工程预测预报资料的分析,结合煤岩有效地震波频率特性等4个关键技术的研究,得出了煤岩有效地震波频率范围和观测系统的有效布设方式,研制了高速、高精度、多通道数据采集及处理系统,给出了掌子面绕射回波形成的探测盲区和巷道声波的处理方法,提出了掌子面绕射回波与直达波不重叠的条件。新型矿井多波多分量地震反射波观测系统的研制成功为矿井提供了更为准确、更长距离的超前预测预报手段,同时也为煤矿安全生产提供了有力的保证。