深水平岩溶瓦斯灾害防治研究报告.docx

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深水平岩溶瓦斯灾害防治研究报告

项目类别：

重点项目

深水平岩溶瓦斯灾害防治研究

完成单位：

石壕煤矿通风部

报告撰写：

黄红光

协作单位：

地测部、生产部

完成时间：

2010年12月

深水平岩溶瓦斯灾害防治研究

1、目的及意义

石壕煤矿地质条件复杂，采煤工作面小断层多，布置主要开拓巷道的茅口组石灰岩中岩溶裂隙非常发育，其内储存瓦斯和水，多次造成安全事故。

随着矿井向北三区、南四区深部水平延伸，如北三区正在茅口灰岩施工瓦斯巷、南四区+280机轨巷、南四区11#瓦斯巷等都遇到岩溶裂隙，裂隙水和瓦斯涌出，严重影响石壕煤矿茅口灰岩中掘进进度，其中北三区+210大巷在2006年10月14日遇到岩溶裂隙瓦斯造成2人死亡的重大安全事故，给石壕矿的安全生产造成较大的威胁。

根据石壕煤矿茅口巷施工的资料分析总结，每施工1000m茅口巷，要揭露5-10条不同性质的地质构造，统计有70%的构造无大的瓦斯和水影响，30%的构造有瓦斯和水涌出，有的地质构造是瓦斯和水分别涌出，有的构造是瓦斯和水同时涌出。

随着矿井向下水平延深，北三区、南四区等深部水平巷道，茅口地层岩溶裂隙瓦斯和水压力压强增大，在茅口巷施工，一旦揭穿含瓦斯和水岩溶裂隙，就有可能瓦斯和水喷出现象。

这不但直接制约着矿井的生产进度，还严重威胁到井下员工的生命安全。

为了实现石壕煤矿建设成为年产180万吨高产高效矿井的目标，提高矿井在深部水平全岩巷掘进工作面前方溶洞、裂隙的超前预的报准确性，防止今后岩溶裂隙瓦斯和水给石壕矿造成安全事故，公司引进福州华虹智能科技开发有限公司和安徽理工大学联合研制开发便携式矿井地质探测仪（KDZ1114-3），探测前方岩溶水及岩溶瓦斯赋存情况，加快掘进速度，实现安全生产。

2、仪器简介

2.1便携式矿井地质探测仪性能

KDZ1114-3便携式矿井地质探测仪是利用地震波在不同介质中传播速度不同、频率不同、震幅不同的原理进行探测。

采集数据精度高、现场施工简单、适合于矿井特殊工作环境和短距离工程勘探，处理工作量小，便于实现现场解析的探测方法。

经过多年勘探实践及技术研究，将数据采集和成果处理集于一体，设计出的智能资源探测仪，实现了单点探测、反射共偏移方法速度和厚度自动及人工解析系统。

该系统主要有以下特点：

（1）整套仪器轻便，两到三人使用即可高效地完成现场测试任务，工作方法简单有效。

（2）可进行现场实时解释，便于工作效率提高。

也可将数据记录在机器内，通过丰富的后处理手段，改善信噪比。

（3）记录精确度、灵敏度较高，动态范围大，失真度小。

它可适用于狭小工作范围或空间受限的探测环境，对煤矿井下巷道前方断层及其异常区域探测、煤层测厚探测及工作面内小构造探查等具有较为独特的优势，能够充分发挥其技术特点。

结合我矿实际情况，影响生产、安全的地质条件以小断距断层、大大小小的岩溶、煤层薄化、层间滑动为主，加之岩溶瓦斯和水影响，严重制约了矿井生产能力的提升。

通过近一年来的实际探测和验证情况看，该仪器操作简单，熟练的运用仪器就能够节约大量的人力、物力，提高生产效率。

2.2便携式矿井地质探测仪探测方法

便携式矿井地质探测仪震波探测方法主要有单点探测、双点探测、折射探测、松动探测、反射探测、用户探测等几种，其中石壕煤矿多次采用的也比较适合我矿的探测方法是用户探测中的单点探测方法和反射共偏移探测方法。

2.2.1单点探测

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。

2.2.2反射共偏移探测

反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理，在单边排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。

探测时，首先针对测试区域地震地质条件进行现场噪声调查，对排列记录分析对比，确定最佳共偏移接收窗口以及窗口内的检波器间距，并按一定的步距同步前移完成探测任务。

只要地质体中存在波阻抗差异，如地质界面，就会产生反射回波，且反射能量受界面特性控制，这是进行地质体分辨的前提。

通常在现场实际工作中，常用密集型单道共偏移数据解决实际问题，能满足现场的需要。

它在对地质体连续追踪与调查中发挥着重要的作用。

现场探测时是在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持震源和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。

每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。

根据反射波勘探原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图，且它的时距曲线方程为：

式中x即为偏移距，v为探测介质的地震波波速，t为地震波旅行时间，而h是目标体的界面深度，是需要求解的。

因此根据测试所获得的地震波记录，进行反射波相位追踪，确定各个界面的反射波组并求取反射相位时间，即可求解探测目标体的深度，并进行地质解释。

对于倾斜界面则根据反射波组特征进行相应的深度校正，获得该界面的实际深度位置。

图1共偏移巷帮测线布置

3、应用情况

采用单点和反射共偏移探测方法，分频记录进行数据采集，依据波形相位特征判别前方构造形态和距离、幅值特征判别构造相对大小，来预报前方地质特征或构造展布特征，具有极其重要的研究意义，通常在地震地质条件适宜时可取得满意的结果。

数据采集时必须注重其现场布置，力求多点采集，利于波形数据对比和反射相位判识，一般参数选取时应注意采样间隔、采样点数、前放增益的设置。

数据处理时也应对各单点记录拼接，形成时间域剖面，加以分析对比和判识。

2010年，石壕煤矿在全矿井所有的岩巷掘进工作面碛头展开了预测，尤其是对北三区5#、6#瓦斯巷下段、南四区11#瓦斯巷、南四区2#副立井抽放巷、南四区+280机轨巷等地点进行物探预测。

分别对其岩溶裂隙和前方构造情况进行了探测，对一些地质异常区域进行了提前预判，探测结果为矿掘进和生产起到了一定的指导作用，为矿井安全生产提供更大的保障。

以下是几组比较典型的探测：

3.1北三区5#瓦斯巷下段迎头探测

由于现场碛头破碎，只有局部地方无松动，所以采用了单点自激自收的方法进行探测。

迎头共测试了两个点，分别在靠南帮和北帮的位置，测试点在转点向西9m。

数据波组特征明显，相位清晰，为解释及判断提供了依据。

通过波组分析，取茅口灰岩波速为4600m/s，靠东帮位置所采波组显示碛头前方5.57m出现了能量反弹，振幅增强，而靠北帮位置所采波组显示碛头前方5.44m出现能量反弹，但反弹不强烈，故怀疑是裂隙消失的位置，由此推算裂隙走向为93°左右。

做出判断之后，及时的将预报发给有关单位，要求施工连队必须按“先探后掘”的原则施工，瓦斯出现异常立即将人撤出到安全地方并及时向矿调度汇报，另外也加强了顶板的管理来防止事故的发生。

经过现场揭露，转点向西14m出露小断层，距离误差在11%左右。

（见附图一）

3.2北三区2#瓦斯巷测顶板到铝土岩的距离

顶板到铝土岩距离的探测用单点自激自收的方法，测试点在转点向西5m的位置。

数据波组特征明显，相位清晰，能够很容易的找到灰岩与铝土岩的分界面。

通过波组分析，取灰岩波速为4900m/s，顶竖直向上9.3m出现能量反射，第一次能量反射到第二次能量反射之间取2600m/s，12.29m出现第二次能量反射。

推测第一次反射为铝土岩的底板，第二次反射为铝土岩的顶板。

钻孔资料揭露，顶到铝土岩的距离为9.5m，铝土岩厚3.2m，所以两个界面都比实际情况少了0.2m。

基本上可以确定这个区域的灰岩与铝土岩的波速。

（见附图二）

3.3北三区6#瓦斯巷下段

采用单点自激自收方法探测碛头前方破碎带影响范围，探测在A6点向西1.2m两边的硐室中进行。

数据采样波组特征明显，相位清晰，结果由两边所采波形综合分析而得。

通过波组分析，石灰岩波速取4600m/s，破碎带波速取3000m/s，得到正常段石灰岩13.16m，破碎带影响范围9.65m。

经过钻孔验证，正常段石灰岩10m，破碎带影响范围12m，误差在17%左右。

（见附图三）

3.4北三区1#材料上山

受到碛头特殊环境的影响，无法采用反射共偏移进行探测，所以只采用了单点自激自收的探测方法。

探测点在N三区1#材料上山起坡点前110m，取岩层顶板到8#煤之间的综合岩体波速为3000m/s（这是以往所测的经验值），8#煤波速取1000m/s。

通过波组分析，巷道顶板到8#煤底板距离9.16m，8#煤厚2.28m。

但实际揭漏的情况为顶板到8#煤距离为5m左右，8#煤厚2.0米。

所以可以看出8#煤的实际波速是接近1000m/s的，而巷道顶板到8#煤底板岩体的综合波速在2200m/s。

探测误差在83%，误差主要是由于对碛头的破碎程度未做考虑，直接取到正常情况下

的波速。

（见附图四）

附图一北三区5#瓦斯巷下段实际揭露与探测情况对比图

附图二N三区2#瓦斯巷钻孔资料与探测情况对比图

附图三北三区6#瓦斯巷实际情况与物探成果对比

附图四N三区1#材料上山实际揭露与探测情况对比图

3.6应用总结

截止2010年11月30日石壕煤矿总共做了78次探测（各次探测情况详见附表），除了有8次未能得到验证外，得到验证的共70次，其中与实际揭露情况和钻孔资料相符和大致相符的有68次，准确率在89%。

总的说来震波探测技术因为测试方法简便快捷，解析简单、直观等优点，在矿井地质（特别是构造复杂矿井中）具有较好的应用前景。

但探测时会受到碛头围岩松动变化、顶底板起伏不平、煤岩层结构变化、结核等影响。

所以对于不同的测试环境，应该注意其探测布置及数据解析处理的方法技术利用，通过这几个月对仪器的应用得出如下几点经验总结：

3.6.1巷道掘进超前预报是探测研究的重点，在大量数据采集与处理基础上，应注重探采数据的对比总结，分析其规律，尽量将一些具有特征而对生产无影响的波形排除，找出真正对生产有影响的构造。

解析与对比，多手段综合测试，提高解析和预测准确度。

探测时观察碛头的一些破碎情况，根据经验对波速做出一些相应的调整。

3.6.2利用多种对比验证效果：

利用标准煤体震波频律、震幅对比；构造数学计算公式与震波探测结果对比；钻孔勘探与震波对比；煤、岩体不同介质频律、震幅对比；原始地质方法与震波探测效果对比，才能达到更好的探测效果。

4、经济效益分析与评价

4.1一般情况下用钻机施工地质探孔，控制层位至少两个钻孔，超前探则是每班都要打探眼，一切顺利的情况下，排除搬钻机的工作时间，打两个钻孔所需时间为6～8个小时，连队打探眼所需时间也在1～2个小时，这些时间都是花在停止掘进的基础上。

然而使用仪器进行探测，从到测试点就开始计算，所需时间也不过30～60分钟。

从这个鲜明的对比可以看出，如果仪器探测的使用成功率达到一个较高的水准，那么对生产无疑是一个福音，它能大大的降低劳动强度，节约人力、物力，大幅度的提高生产效率。

4.2对超前探测瓦斯巷中断层、岩溶裂隙比钻探方法有了明显的探测优势，节约了费用和时间。

在掘进巷道进行物探测后及时发出预报，制定安全措施，防止安全事故发生发挥了积极的作用。

4.3在瓦斯巷掘进工作面掘进的同时，安装瓦斯抽放管道。

通过超前探测瓦斯巷中的地质异常情况，提前发出预报，施工队在施工过程中，加强钎探，防止在爆破过程中直接将岩溶裂隙揭露出来，将裂隙瓦斯通过抽放直接进入瓦斯管道，从而避免瓦斯超限。

同时可以缩短因岩溶裂隙而影响巷道掘进的时间。

从资料统计，2010年11月止，我矿岩溶裂隙瓦斯超限次数只有8次，同比2009年（16次），下降了50%。

5、问题及建议：

5.1在石灰岩的探测中发现，石灰岩中裂隙发育，大大小小的裂隙都是引起强反射的因素，所以应建立专门的在石灰岩中探测的波形库进行分析，进行振幅对比，从而排除一些对生产无影响的小裂隙。

5.2由于获得正式震波自动解析系统软件的时间较晚，因此采用反射共偏移探测的次数相对较少，反射共偏移探测运用的经验和准确性有待提高。

5.3要健全制度，规范现场施工人员的操作行为，不定期的组织全方位的执法检查，确保物探技术在现场的正常实施。

6、结论

便携式矿井地质探测仪（KDZ1114-3）有重量轻，携带方便，现场操作环境要求低，操作人员少，解析系统软件智能化程度高，软件操作简单的特点，截止2010年11月30日石壕煤矿总共做了78次探测，其中与实际揭露情况和钻孔资料相符和大致相符的有70次，除了有8次未能得到验证，准确率在89%。

在煤矿安全生产过程中不失为一种较好的地质探测手段之一。

虽然目前对便携式矿井地质探测仪的运用还不是很成熟，但从一些成功的探测中也可以看出前景是可观的。

若能不断的提高仪器的探测精度，能大大的降低劳动强度，节约人力、物力，大幅度的提高生产效率，同时能提高矿井超前地质预报的准确性，减少安全事故的发生，为石壕煤矿向深部水平延伸提供了安全保障，同时也为矿井的瓦斯治理，提供了强有力的保障。