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地震频率谐振技术应用实例:覆岩移动特征研究

作者:admin 浏览:763 发表时间:2022-12-04

基于频率谐振技术的采煤工作面覆岩移动特征研究


张修峰1,薛爱民2,谢华东3,宋红星2,闫宪洋3,李攀1,王磊3,李萍3,蔡先锋4
1  山东能源集团有限公司 冲击地压防治研究中心,济南 250014
2  北京派特森科技股份有限公司,北京 100085
3  兖州煤业股份有限公司东滩煤矿,山东 济宁 273500
4  河北工程大学 矿业与测绘工程学院,河北 邯郸 056038
第一作者简介:张修峰,山东鄄城人,高级工程师,研究方向:煤矿冲击地压防治。






导读:采用频率谐振技术深埋煤层采后覆岩移动特征进行研究。介绍了频率谐振技术的原理和工程背景,设计了检测线和检测点布置方案并现场实施,得到了深埋煤层覆岩移动的时空特征。研究结果表明,频率谐振技术是一种有效的深地探测方法,研究成果可用于指导采场压力控制
关键词:频率谐振技术;采煤工作面;覆岩移动特征






内容提纲

0  引言
1  频率谐振技术简介
2  工程背景及数据采集
3  采煤工作面覆岩移动特征研究
4  结语







0  引言
煤炭作为我国基础能源的地位在相当长一段时期内不会发生根本性改变,采场覆岩移动规律的研究对于掌握采场应力场具有重要意义。采场覆岩移动规律研究可以采取理论研究、现场观测法、数值模拟法、相似模拟法等。本文首次引入频率谐振技术进行覆岩移动特征的研究。
1  频率谐振技术简介

北京派特森科技股份有限公司于2017年提出将人工主动源被动源地震法以及多次迭加处理技术相结合,发明了全新的三分量频率谐振探测方法。其要点是应用大能量信号源和多次迭加技术压制大量的无用信号噪声,使得频率谐振下的地震数据中有用信号占优,从而提高浅层勘探能力深层分辨能力。相比其他地震勘探手段(面波、反射波、折射波)而言,频率谐振勘探技术增加了直接找矿评判最优靶点的能力。

2  工程背景及数据采集
2.1  工程背景
东滩煤矿6303工作面位于六采区中部,南邻6304采空区,北邻6302工作面(未采)。工作面倾斜宽250m,煤层底板标高-581.9~-715m平均-650.3m地面标高+46.87~+49.17m平均+47.91m。工作面回采山西组3煤层。煤层厚度4.90~6.80m,平均5.20m,由西向东逐渐变薄。煤层基本顶中细砂岩厚度8.19~16.71m,平均12.90m,硬度6~7;直接顶泥岩厚度0~1.20m,平均0.80m,硬度4~5;直接底粉砂岩厚度0.18~2.45m,平均1.54m,硬度4~5;基本底粉细砂岩厚度4.13~12.20m,平均厚度7.73m,硬度6~7。

2.2  数据采集和数据处理

(1)数据采集

根据工作需要,选定的目标区域如图1所示。针对目标区域共布设2D测线6条,其中5条测线长300m,1条测线长450m(由测线7和测线13组成),部署1950m测线,东西向测线间距60m,南北向测线间距100m检波点间距5m,共部署390个检波点。单点数据采集时长不短于1h

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图1  6303工作面覆岩移动监测测线部署示意图

(2)数据处理

数据处理包括现场数据处理和室内数据。基础数据现场处理检验的数据包括原始地震数据、观测数据集静校正数据等一切地震采集数据。现场数据处理的目的在于对采集作业质量进行控制,及时发现问题,并提出整改措施。室内数据处理使用多套常用地质资料处理、解释和成图软件以及北京派特森科技股份有限公司持有的无射线层析静校正技术高精度速度分析技术专利技术。室内数据处理的目的是生成后续地质解释及专业研究所需的图像。

3  采煤工作面覆岩移动特征研究

3.1  沿工作面走向覆岩移动空间特征研究

测线7、测线8、测线9为同一时段采集的数据,其频率谐振波阻抗成像图如图2、图3、图4所示。其波阻抗具有如下特点:

(1)存在波阻抗分带现象。说明岩石垮落裂缝的形成存在分带现象,分带高度最大可达百米,上方基本止于475m深的层位。

(2)波阻抗分带具有一定的倾角,其与水平方向夹角在60°~62°,说明煤层采后对覆岩扰动破坏遵循莫尔准则

(3)分带区域的下限直至原煤层所在位置,超过煤层底板后,分带现象消失;分带区域上方的区域以在水平方向上分层现象比较明显,证明了覆岩的层状赋存特征

(4)在分带区域内,波阻抗值存在系列不规则块体结构,该结构随深度增大而块度渐小,表明覆岩在采动影响下破碎程度离原煤层越近破碎越充分

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图2  测线7频率谐振波阻抗成像图

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图3  测线8频率谐振波阻抗成像

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图4  测线9频率谐振波阻抗成像

3.2  沿工作面倾向覆岩移动时空特征研究

测线10、测线11、测线12均沿工作面倾向布设,其频率谐振波阻抗成像图如图5~图7所示。其中测线10数据为采动后约30d采集,测线11数据位置基本位于工作面回采位置,测线12数据采集位置约为采后120d。倾向波阻抗成像图揭示了顶板覆岩移动的时空特征:

(1)3条测线图像均未呈现前节走向测线表现的约60°倾角分带现象。表明工作面覆岩在倾向上移动的时间大致相同覆岩的碎裂程度没有大的差异

(2)呈现大范围的分区现象,尤以测线10表现明显。475m以深至煤层底板区域波阻抗降低明显。

(3)覆岩移动具有一定的滞后效应。测线10的波阻抗值普遍低于测线11的波阻抗,且碎片化更严重;测线12的波阻抗值整体性偏低,尤其是475m以浅区域波阻抗值降低,均验证了覆岩移动的滞后效应。

                   

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图5  测线10频率谐振波阻抗成像图           

 

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图6  测线11频率谐振波阻抗成像图  

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图7  测线12频率谐振波阻抗成像图                          

3.3  沿工作面走向覆岩移动时空特征研究

测线13和测线7均沿工作面走向,其中测线13数据采集比测线7的数据采集晚约90d,可组合成1条450m长的测线,其波阻抗成像图如图8所示(左侧为测线13、右侧为测线7),工作面覆岩随采动时间的移动时空特征:

(1)覆岩移动的滞后性。测线13段的整体波阻抗值较测线7均较低,特别是150~300m深度部位,二者差异较大,表明高层位岩层移动已传递到该层位。

(2)采动超前扰动现象随覆岩移动充分程度消失。测线13段已经没有测线7所具备的覆岩存在分带现象,表明覆岩移动基本稳定。

(3)随推采覆岩垮落带再次被压实。测线13的垮落带区域低波阻抗区域明显比测线7同层位的区域小,表明采后随时间推移,垮落带被再次压实,更致密。

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图8  测线7和测线13数据合成频率谐振波阻抗成像图

4  结语

(1)表明频率谐振技术深地探测方面具有较好的适用性,煤层底板基本无破坏以及近煤层覆岩垮落产生裂隙以及远煤层覆岩弯曲下沉等特征均得到验证。

(2)从空间尺度上看,煤层覆岩随工作面开采存在超前扰动的现象,与已知的覆岩移动研究成果相吻合

(3)从时间角度上看,煤层覆岩移动具有滞后性,高层位的岩层移动滞后于地层位岩层。

(4)探测到采空区破碎带再压实现象







原文来源:煤炭技术.2021年12月.第40卷 第12期

文章编号:1008-8725(2021)12-020-03
DOI:10.13301/j.cnki.ct.2021.12.005



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