井下物探方案.doc

贵州大方煤业公司小屯煤矿
井下物探技术实施方案
一、概述
小屯井田位于贵州省大方县县城南部，井田中心直距县城约6.0km，行政区划属大方县小屯乡、大方镇、羊场镇管辖。贵毕高等级公路从井田中南部穿过，大方至纳雍的县级公路沿井田西侧浅部边缘经过。交通十分便利，见图1.2-1。
井田西至龙潭组地层底界，北至1勘探线，东至路穿岩～周家大洞～安塘～岩脚～新田一线，南至北纬27°02′15″纬线。南北长7～10.2km，一般8km；东西宽4.6～11.10km，一般约7.5km，面积约66.51km2。地理坐标：东经105°32′45″～105°39′30″，北纬27°02′15″～27°07′45″。
一采区位于该井田中西部，北起7勘探线，南至J10勘探线以南；西起煤系地层浅部，以贵毕高等级公路为界；东至五采区保护煤柱。南北长约3.5km，东西宽约1.95km，面积约6.8km2。
本矿为高瓦斯突出矿井。
二、便携式矿井地质探测仪简介
2.1概述
矿井地质构造及煤层赋存情况是矿井生产与安全的主要影响因素，矿井地质构造和煤层赋存情况不但直接影响到矿井生产安全而且还控制着煤层瓦斯、矿井水体、地下应力场等的分布与变化规律。可靠准确的地质构造和煤层赋存情况预测和对矿井采区、工作面、巷道等系统的合理布置、采取有效的措施确保矿井安全生产具有十分重要的意义。多年来，作为煤矿生产不可缺少的重要环节之一的地质构造预测技术一直得到世界各产煤国的重视。世界各主要产（采）煤国都投入了大量的人力、物力、财力进行技术攻关，取得了许多宝贵的经验和研究成果。我国在矿井构造探测与预测及煤层赋存情况等研究同样做了大量的工作，但在矿井构造探测仪器设备研制方面，真正起到良好应用效果的只有安徽理工大学和福州华虹智能科技开发有限公司研制的KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪和西安分院瑞雷面波探测仪，它们均可直接用于井下巷道超前探测，其中KDZ1114-3型矿井地质探测仪的5种探测方法就包括瑞雷面波探测方法，目前该仪器已在煤矿构造及异常体预测预报过程中发挥着重要的作用。
2.2仪器原理
矿井地质探测仪主要采用震波勘探原理，利用震波（地震及声波）为弹性波波源，对被探测介质的厚度（距离）和速度进行探测，采用自激自收解析法、瑞雷波解析法、折射解析法及反射解析法进行数据采集和解析。这四种解析方法应用于仪器内核，构成仪器四种全自动、半自动、手动探测方法，即单点探测、双点探测、折射探测与反射探测。目的是使仪器适用性更加广泛，突破以往使用探测仪器只能专业人员介入的局面。通过采集地震波，经仪器初处理后，再经过软件解析系统的综合分析后，从而确定异常界面。再结合地质基础资料，最终定性和定量确定其探测目的。
2.3 仪器基本组成
图一 KDZ113-4便携式矿井地质探测仪系统组成
主机由主板、液晶显示器、薄膜键盘、电池和各种外接接口插座等组成。面板有输入接口、启动接口、充电接口、通用功能接口（可接打印机、通讯存储卡）、联网接口、PC键盘接口；控制按键有辉度控制按键和电源开关，另有检波器、启动器、震源、充电器、通讯存储卡的主要设备，见图2-1所示。
2.4仪器探测方法及重点解决
所用探测仪器主要探测方法有：
1） 单点自激自收探测 2）双点瑞雷面波探测3）单边折射探测
4）双边折射剖面探测 5）围岩松动圈探测 6）反射探测
7）用户自定义探测
所用仪器重点解决
1） 顶底板煤厚及前方构造实时剖面
2） 工作面内断层及隐伏构造探测
3） 围岩松动探测
4） 陷落柱探测
5） 巷道独头超前探测
6） 老空探测
7） 基岩界面及起伏形态探测
8） 岩层探煤层
9） 锚喷大巷安全性评价
10） 岩浆侵入体
2.5 仪器主要特点
该仪器是一种高档智能化产品，无论在技术上还是在使用上都完全基于用户的需要设计。因此具有其他类似仪器所不具有的优点。
(1) 智能化探测。仪器提供的5种探测方法均应用智能的数据采集和解析算法，既可无人介入全自动解析，亦可人机联合操作，还可由人工操作，以图形和数字得出探测结果。
(2) 测算实时。仪器具有波形解析软件，波形采集后可立即进行解析，从而使得探测和数据处理可在现场同时进行。
(3) 傻瓜机型。每一步操作均有提示和在线帮助，若操作出错仪器会通过声音或显示提示，机内拥有国标二级汉字库；仪器提供的4种智能探测方法，使用者可以是非专业人员。
2.6 仪器技术性能
1.人机接口
l 显示： 采用640×200大屏幕图形点阵液晶显示器；
l 键盘： 64键，由数字键、功能键和子母键等；
l 操作界面：全中文界面，有字符、专（通）用库、区位、 拼音、五笔等输入法；
2.采集通道
l 通 道 数： 采样通道数为4个，可同时采四个测点数据；
l 采样速度： 单道采样最快速度为2.5μs（高速型），5μs（次高速型）；
l 分 辨 率： 采样数据分辨率为12位；
l 内存容量： 1M、2M、4M、8M字节可选，可存储1000个左右测点数据资料；
l 增 益： 0dB～96dB （0～42dB以6dB递增、42dB～96dB以3dB递增，增量可选）；
l 低 通： 最高截止频率为4000HZ；
l 带 通： 在1HZ～4000HZ之间任取频带，但高截不能超过低截的5倍；
l 全 通： 可通过0HZ～7KHZ任意频率信号；
l 容 量： 采样存储器容量为 8K字节；
l 间 隔： 声波采样 ：2.5μs～32000μs （以0.5μs为增量可选）。
3.探测介质
l 探测深度： 自动探测为60米以内，用户自定义探测深度不限。
l 探测层数：≤5层；
4.电 源
l 供 电：内含有高能锂电池，可连续工作4小时以上；
l 数据保持：掉电情况下，可保证数据1000小时不丢失；
l 充 电：外配有电池充电器，可直接输入220V交流电对机内电池进行充电，充电时间大于等于8小时。
5.外设选件
l 通讯存储卡：存储部分容量为1M～8M字节可选，用于记录探测历史数据，可存1千个左右探点数据；通讯部分采用RS232接口标准，可使仪器与微机直接通讯；
l 打 印 机：可选用常用打印机；
l PC 键 盘：可选通用标准PC键盘。
6.环境条件
l 防 爆：本质安全型防爆产品，可适用于井下高瓦斯环境；
l 防 湿：采用密封措施，可适应于井下高潮湿环境；
l 防 尘：采用密封措施，可适应于井下高粉尘环境；
l 工作温度：0℃～40℃；
l 相对湿度：≤95% 。
7.重量规格
l 重 量：主机重量为4.4Kg，携带方便;
l 规格尺寸：350mm×248mm×88mm。
三、物探的使用方法
3.1探测方法及原理
依据探测目的，在3.1所述各探测点采用了地震勘探中的单点探测、反射共偏移探测，利用该方法进行有效的相位对比与追踪可获得反射界面的位置及厚度关系。现对其方法原理作以简单介绍。单点探测，又称单点自激自收法，即接收点和击震点的距离X趋近于0、反射共偏移法又称随地声纳法，依据反射波勘探原理，在单边排列基础上选定最佳偏移距，即最佳反射窗口，采用单道或多道叠加小步长顺移前进观测系统（图3-1）。
根据反射波原理，单道观测系统有相应波路图（图3-2），且它的

图3-1观测系统示意图 图3-2单道观测系统波路图
时距曲线方程为：
这样等步长前移连续追踪可得到地下各个反射界面的剖面时域波形图。而多道观测系统除了具有某单道效果外，还可进行叠加形成多道叠加剖面，也可对记录进行操作抽取不同偏移距的单道记录，有利于对地下介质的对比分析，提高解析能力与精度。
3.3 数据采集
3.3.1数据采集各测线参数设置
本次测试结合井下实际工作条件，在实测过程中采用单点探测和反射共偏移探测的方法采集数据。
3.3.2 探测施工软件及硬件系统
本次共偏移法探测采用KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪进行数据采集。仪器设备本质安全防爆，可用于高瓦斯矿井。仪器体积小，重量轻，为便携式，并可多台相互串联，构成多道工作。传感器声波检层法中采用高频系列检波器，其频率响应为14－2000Hz。震源视实际情况分别采用落重法即用4公斤重锤进行锤击启动，。具体主要使用的软硬件系统设备有：
1． KDZ1114-3便携式矿井地质探测仪主机;
2．KDZ震波探测解析系统软件（支持WINDOWS界面）;
3．信号传输装置:4通道信号采集线（10 米 ）;

图3-3 反射共偏移法处理流程
4．信号启动装置:多方式启动线（4 米）启动触发器;
5．数据通讯装置:DB9通讯电缆（3 米接头）,专用打印机电缆（1 米DB 25转DB36）；
6．存储器:COMMEM智能数据通讯卡；
7．震源激发接收装置:高阻尼检波器（100Hz×2，4.5Hz×2）；
8．辅助工具：8磅锤 粉笔若干 皮尺1把。
3.4资料处理与分析
3.4.1处理方法
单点和反射共偏移法通过实测中多次垂直叠加消除干扰波采集原始信号，再进行室内回放进一步细化处理。对单道观测系统来说，具体处理流程如图3-3所示：
其中预处理包括道集重排、振幅平衡、静校正、二次采样等，修饰处理包括空间混波、三瞬处理、平滑处理等。
对于多道覆盖观测系统采集信号，除了可抽取各偏移距单道记录进行处理外，还可进行多道叠加处理，其处理流程如下：
预处理 数字滤波 静校正 速度谱
动校正 水平叠加 修饰处理 显示叠加剖面 。
3.4.2 处理软件
反射共偏移法本次资料处理是在便携式矿井地质探测仪机内软件程序解析的基础上，结合KC2000进行，该软件集数据录入、预处理及各功能模块与一体，使用方便快捷，解析精度高。KC2000中反射波法处理模块即可对共偏移法采集数据进行相应各项处理。
四、探测条件分析
4.1 地质条件
煤层在煤系地层中，属一个低速、低密度的软弱夹层。按照波阻抗理论，设Z1为煤层的波阻抗，Z2为顶板岩石的波阻抗，则有Z1＝ρ1V1,Z2=ρ2V2 其中，ρ，V为介质密度和介质震波速度。
由震波反射原理，波阻抗存在差异的两层界面的反射系数R为

煤与砂岩的波阻抗差异较大，这表明，该界面是一个强反射界面，有利于声波反射法进行煤厚及构造测试工作。
4.2 裂隙作用
放顶煤开采及巷道掘进过程中，侧帮受应力作用，产生大量的垂直张裂隙，在井下实际观测过程中，这种张裂隙大多呈网格状切割，从而导致顶板波速的横向变化较大，限制了小排列地震折射法和反射探测法，在井下实测的相邻波形，相干性较差。但总可以找到相对密度的一个体积元，该体积元被周边的裂隙所切割，相当于形成了一系列的高速波导体，因而在单个体积元上进行自激自收，将会取得较好的效果。
4.3 井下空间
井下场地限制了其物探方法的工作空间，要想快速、准确地查明顶煤厚度，就只能采用零偏移距方法来进行。在巷道中或支架中，采用单个检波器检测单次锤击所反射回来的声波，用自激自收解析法对声波数据进行解析。
4.4 震源扰动作用
在地面地震探测中，震源在产生有效纵波、横波的同时，还产生大量的干扰信号，这种震波的干扰主要表现在面波和击震点的延时作用。在井下采用激发接收系统时，最大的技术关键在于解决这一首要的信号采集问题。根据干扰的一般特征，可从3个方面加以限制，提高采集信号的信噪比。首先，在震源本身上要使用高频点源，提高震源本身的频率，我们主要采用震波藕合器及加大击震力度。其二，接收仪器的前置模拟滤波档要向高频移动，以采集可靠的高频反射波，将频带门坎放在面波频率的高端，限制震源干扰成份进入A/D转换器。其三是使用的声波传感器，要求宽频、高阻尼特征，主要使用美国mark28，加电阻尼来构造检波器。
只有从震源和传感器以及仪器这三个方面，同时采用压制干扰的方法，才能起到较好的作用。
五、探测方法原理及解析结果
5.1单点探测原理
单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层距离或厚度的。由反射波时距曲线方程：，令，则。式中时间ｔ可由波形记录上判读，波速须是一已知数，其取值准确与否，直接影响到目的层距离或厚度探测的精度。一般来说，在一定的探测区域内，岩、煤层的垂向波速都较稳定，探测时可作波速调查，弄清各层波速分布状况，为探测解析提供依据。
5.2反射共偏移探测原理
其反射共偏移探测原理与单点探测是一至的，都是利用反射探测的原理，只是反射共偏移探测时接收点和击震点有一定的距离即有一定偏移距，这样做的目的是从时差上减小震波相互间的干扰。
七、经济效益分析与评价
（1） 以往用钻机探测距煤距离要浪费几个班的时间，不仅浪费人力，物力和财力；且探测人员体力消耗大，工作环境差，工作时间长，受现场条件限制有时也探不成或探不全，或由于角度原因造成误差。使用仪器探测，具有用人少、减轻劳动强度、缩短探测时间、精度满足储量管理要求和施工要求的特点，工作效率成倍增加。目前执行长探短掘措施，每个掘进头打钻每月需要5个工作日时间，造成了掘进速度的降低。通过仪器的应用，探测结果和打钻结果相同，但不影响施工时间，为施工单位节约了大量的时间，提高了工作效率。
（2） 有些地方由于井下条件的限制，不能满足打钻要求，但可以利用仪器对地质构造进行探测，可为技术决策提供参考依据，提前采取有针对性的措施，避免技术失误造成的更大损失。对超前探测断层比用以往钻探方法具有显著的节约费用和时间的特点，是目前矿井地质工作者有效的便携式物探探测工具。
（3） 通过对该仪器的应用探测，获取了适用于本矿井的各种探测参数和经验，具有广泛的应用前景和较明显的经济效益。

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