矿井远距离超前探测系统与应用研究

【摘要】摘要：不良地质体是煤矿井下工作面掘进和回采过程中的隐蔽致灾地质因素。不良地质体主要是指采空区、废弃巷道、断层、裂隙、陷落柱、瓦斯富集区、导水裂缝带、含水体及井下火区等。这些地质体是诱发煤与瓦斯突出、突水、冒顶、片帮等事故的地质因素,因此,煤矿应结合实际情况开展隐蔽致灾地质因素普查,排查安全隐患。目前使用最先进的三维地震等地面物探手段,也难以可靠地查明煤矿采空区和煤层小构造,故开展井下地震勘探仪器和方法的研究十分必要。矿井地震的研究主要面临三个方面的难点：第一,与地面地震勘探相比,矿井地震前人研究较少,对煤质的速度、密度等岩石物理信息了解不深,加大了资料处理和解释的难度；第二,矿井施工环境受限,特别是突出煤层中爆破作业更是受到严格的安全限制,必须在进风侧反向风门之外的全风压通风的新鲜风流中或避难硐室内进行远距离爆破,目前国内没有现成的具有防爆和远程控制功能的矿井地震仪器；第三,隧道地震超前探测资料处理采用Radon变换消除了侧帮波场,而矿井地震研究中侧帮地震信息也至关重要,如何精确的分离超前和侧帮波场,分别对其偏移成像综合研究实现一次探测数据同时解决超前和侧帮探测的问题也是矿井地震面临的一个重大课题。本文使用了岩石物理实验的方法辅助研究了矿井地震探测,采用脉冲透射法测试了沁水煤田阳泉矿区煤质的速度,测试过程中使用了不同频率的超声波换能器。了解了沁水煤田阳泉矿区煤质超声条件下的速度特性,为地震正演和资料处理解释提供了参考依据。推导了二维各向同性介质中的波动方程,研究了有限差分法的数值模拟方法,并利用该方法对煤矿常见的断层、陷落柱和采空区三种不良地质体进行了数值模拟研究。数值模拟采用雷克子波作为震源子波,边界处理使用PML边界,波场快照直观地反映了地震波在断层、陷落柱和采空区中的传播规律和相应特征,为矿井地震资料解释提供了参考依据。煤矿安全规程对突出煤矿井下放炮有严格的限制,目前国内没有可用于矿井的地震探测仪器。在对国内外地震超前探测仪消化吸收基础上,开发了用于有煤尘和瓦斯存在的煤矿井下,具有远程控制功能、防爆防水防尘、功耗低稳定性高的特点,符合《煤矿安全操作》要求的矿井地震仪器,在远程控制矿井地震超前探测的技术领域实现了突破,满足了煤与瓦斯突出工作面无人化采煤技术发展的需求。推导了矿井地震资料各方向波场的时距曲线,分析了其时距曲线的规律,加深了对矿井地震波传播特性的认识,针对矿井空间受限和地质条件的复杂情况,优化设计了观测系统。并分析了典型的矿井劣质地震剖面,研究了其产生机理和改进方法。使用Radon变换对地震波场分离处理,分别对超前和侧帮的波场进行叠前克希霍夫偏移成像,与隧道地震只进行超前成像相比,矿井地震探测突破性地同时实现了超前成像和侧帮成像。将该方法对沁水煤田阳泉煤矿区成功探测研究的基础上,分别在沁水煤田潞安矿区、霍西煤田霍州矿区、邯邢煤田峰峰矿区及河东煤田离柳矿区进行了应用研究,通过掘进揭露验证表明,该方法有较高的探测成功率。最终形成了一整套集硬件、地震采集、处理和解释的远控矿井地震研究系统。
【作者】胡运兵；
【导师】吴燕清；
【作者基本信息】中南大学，地质资源与地质工程，2014，博士
【关键词】岩石物理；防爆；矿井地震；超前探测；侧帮探测；Radon变换；叠前克希霍夫偏移；

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