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    煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統

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    技術背景

    應用場景

    我國絕大多數煤炭來自井工開采,是世界主要產煤國家中開采地質條件最為復雜、煤礦災害事故最為嚴重的國家。煤炭地質勘查貫穿于煤炭資源勘查、煤礦設計、煤炭開采和利用以及礦井關閉的全過程,是實現煤炭資源高效安全開采的基礎和前提。

    目前,影響煤礦高效安全開采的地質因素主要包括:構造地質條件(包括斷層、褶曲等)、瓦斯地質條件以及其他地質異常體(如采空區、陷落柱等)。據不完全統計:煤礦開采過程中發生的水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害中,均與地質條件相關。由于采區地質條件不詳,致使工作面無法正常推進、接續失調以至于蒙受重大經濟損失的事件,更是多次發生。主要表現在以下三個方面:

    原地煤系地層中斷層和褶曲極其發育、規律性差,直接制約礦井安全、高效開采。特別是落差較大的斷層,常造成煤巖層直接與強含水層相連或斷層帶導通強含水層,井巷工程通過時常發生透水事故,甚至淹井。在瓦斯含量大的礦井,斷層破碎帶容易積聚大量瓦斯,井巷通過時常常造成瓦斯突出事故。

    瓦斯是在煤層及上下圍巖中以不均勻分布的形式賦存的,并伴隨著煤層地應力變化和裂隙演化而運移,導致瓦斯聚集形成富集區。當采掘活動破壞了這種富集區的自然封閉體的完整性,就會造成瓦斯涌出或動力突出災害。

    地下煤層開采后會形成大面積采空區,特別是很多地區的無序開采造成煤礦采空區分布情況不明,煤礦采空區的沉降或塌陷以及其空間內的流體(水、瓦斯等)對地面各種大型工程建設和環境造成了重大的影響。

    針對煤礦現存的影響煤礦高效安全開采的地質因素,如:斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間內的流體等,礦方需要及時探明,精確掌握其空間分布范圍,才能保證煤礦高效、安全開采。

    現狀分析

    有效預防煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害事故的發生頻度,保障煤礦安全生產,煤礦地質條件探查是關鍵。

    近十年來地球物理技術工作者針對斷層、瓦斯富集區及采空區與巖體的地層阻抗及電阻率差異,研發了礦井地球物理探測技術。比如利用三維地震探測技術查明斷層、采空區位置。

    但是,對于煤礦構造及采空區等地質探測,三維地震勘探等技術受高額成本限制,探測區域有限,加之上部煤層開采造成地表塌陷,部分區域不具備地面補勘條件。

    針對復雜的煤礦地質條件勘探,安徽萬泰地球物理技術有限公司研發了煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統。該系統利用密集地震臺站采集連續背景噪音,包括潮汐撞擊海岸產生的低頻信號、地球內部的自信號、大地震后的尾波信號、煤礦開采過程中產生的噪聲信號以及瓦斯流體產生的低頻震動信號,通過臺站對的互相關和疊加處理,提取出不同頻率的基階和高階面波,從而確定從淺到深的三維橫波速度結構體。該三維橫波速度結構體對煤礦地質條件勘探中的斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間流體有非常好的顯現作用,能夠精準預測其空間位置和范圍。

    安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中國科學技術大學地球物理技術團隊合作研發的煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統在使用過程中不需要人工震源(炸藥或者震源車),是一種綠色經濟的勘探系統。且相對于三維地震等探測技術的使用,該系統可長期探測,所創造的效益更大。

    核心技術

    基于密集地震臺陣的背景噪聲成像技術

    基于連續采集的背景噪聲數據,提取臺站之間的面波格林函數,進行橫波各向同性和各向異性成像?;诘乇聿荚O的密集臺陣,采集和處理低頻(1-10Hz左右)信號,通過疊加裂縫成像和烴震分析等技術,獲得煤礦地下結構等。

    雙差地震層析成像技術

    通過使用到時差數據,并利用震源和速度結構所存在的耦合效應進行共同反演,可以有效提高反演結果速度結構的精度,并在多個領域如斷層、俯沖板塊、火山等速度結構的探測上得到廣泛的應用。

    基于低頻信號和疊加成像技術

    對于富含瓦斯的裂縫,在大多數情況下處于滑動的臨界狀態,在煤層采動的影響下會釋放出低頻諧振信號,這主要體現在頻譜振幅峰值聚集在某個低頻例如3Hz附近。通過對區域進行網格離散化,根據三維速度模型,確定每個網格點到每個地震臺站的地震波走時。以中心臺站為基準,對其它臺站接收到的波形進行向前或向后的時移,并進行疊加。最后對疊加的數據體提取出能量最強的網格,即為瓦斯儲層位置。

    實施方案

    臺陣布設

    根據探測區域位置及探測深度,布設煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統臺陣,來采集礦區及周邊區域環境背景噪聲?,F場臺陣采用矩形面狀分布,相鄰監測點間距50-300m,原則上是將探測區域包含在臺陣中(右圖,藍圓代表臺站)。連續觀測一段時間,對此階段的環境背景噪聲數據進行采集。

    背景噪聲三維成像系統臺陣,具有豐富的低頻信號采集能力,如右圖所示。內置配有三分量地震傳感器、GPS模組、電子羅盤、姿態傳感器、藍牙模塊以及可充電鋰電池,無需任何外部電源即可連續工作60天以上。它可以實現定時開機采集、采集結束定時關機;也可連續采集;采用USB、RS232、藍牙等多種交互工作方式;數據自動本地存儲;具有GPS授時、地理位置定位等特點。其高頻達到200Hz 以上,可以滿足瞬態面波勘探的需求。


    三維橫波速度結構體反演流程

    三維橫波速度結構體反演


    對探測區域環境背景噪聲原始數據進行預處理。



    將反演區域按網格劃分,反演得到各周期相速度的二維分布,進而得到每個網格節點的純路徑頻散曲線。

    反演每個網格的純路徑頻散,得到每個網格下方的S波速度的垂向分布。

    在不同周期面波層析成像結果的基礎上,反演得到勘查區三維橫波速度結構(圖3-5),并給出不同深度橫波速度結構水平分布(圖3-6)。



    煤礦地下結構體探測

    通過分析探測區域地質資料(圖3-7),利用三維橫波速度結構體等地球物理信息對煤礦地下結構體進行解釋(圖3-8)。



    項目效益

    有效減少煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害事故的發生頻度,保障煤礦安全生產,煤礦地質條件預測是關鍵。安徽萬泰地球物理技術有限公司煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統能夠準確預測煤礦地質條件勘探中的斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間流體的空間分布,量化其對煤礦的危險程度,減少盲目性投入,做到有的放矢。在同等面積區域的地質探測上,相比較于三維地震勘探等常規探測方法,本系統可為礦山節省大量探測成本。該系統為煤礦提供了一種新的綠色經濟有效思路,能夠高效、快速、準確的量化煤礦斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間流體的空間分布,為煤礦生產安全提供保障。

    案例展示

    采空區探測

    淮河能源控股集團煤炭開采過程中,存在以前遺漏的采空區,為確保煤層安全掘進、科學布置綜采工作面,提高單進、單產水平和原煤質量,保障礦井有序接替,需要進行地面補勘工作,找出采空區的位置及范圍。由于礦區存在生產活動,常規的三維地震探測技術對人員安全以及探測質量(噪聲干擾)難以保證,導致無法實施;電法勘探由于無法進行大區域探測,導致探測效果不夠精確。該礦區通過利用煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統采集礦山及附近環境背景噪聲進行成像反演,成功探測到礦區內遺漏的采空區,并圈出范圍,如右圖所示:



    瓦斯富集區預測

    陽煤集團地質條件復雜、瓦斯災害突出顯現的礦井,隨著工作面的回采,煤層瓦斯含量和壓力大幅上升,迫切需要利用先進方法和手段,對現有瓦斯富藏條件進行探測,從而對瓦斯進行合理抽放或利用。傳統的煤層氣含量探測主要采用原位吸附試驗,費用較高,且無法對煤層氣整體的空間分布進行預測。通過利用煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統,采集環境背景噪聲信號,確定三維橫波速度結構,基于巖石物理實驗測定的速度和瓦斯含量關系,定量化預測高瓦斯富集區(如右圖),其中瓦斯含量高于9.8m3/t的區域面積有2.58km2,為地面瓦斯抽放和利用提供技術支撐。


    近地表結構探測

    隨著經濟發展迅速,城市圈一直在外擴,由于地處郯廬斷裂帶,存在地震風險,為降低地震災害影響,需要對其近地表結構進行探測,以確保城市工程與建筑安全以及指導未來城市規劃。由于城市人口密集性、安全以及探測深度,常規的地球物理勘探技術難以實施。



    安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中科大地球物理團隊利用地下結構背景噪聲三維成像系統采集環境背景噪聲,反演斷層帶位置及區域速度變化信息,以此判斷潛在的地震危險。圖5-3為現場臺陣布設圖,三角形代表臺站。圖5-4為淺層不同深度的三維橫波速度結構,從圖中可以看出由于郯廬斷裂含有巖漿侵入的變質巖相對周邊區域為高速帶(虛線代表斷層位置)。圖5-5為沿同一S波速度剖面局部地質剖面,白線代表地質上不同的地層單位,可以探測地表結構巖性變化。其中1為上白堊統砂巖;2為古元古代片麻巖;3為青白口期灰巖;4為早寒武世頁巖;5為震旦系灰巖。




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