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煤矿地下结构背景噪声三维成像系统

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技术背景

应用场景

我国绝大多数煤炭来自井工开采,是世界主要产煤国家中开采地质条件最为复杂、煤矿灾害事故最为严重的国家。煤炭地质勘查贯穿于煤炭资源勘查、煤矿设计、煤炭开采和利用以及矿井关闭的全过程,是实现煤炭资源高效安全开采的基础和前提。

目前,影响煤矿高效安全开采的地质因素主要包括:构造地质条件(包括断层、褶曲等)、瓦斯地质条件以及其他地质异常体(如采空区、陷落柱等)。据不完全统计:煤矿开采过程中发生的水、火、瓦斯、煤尘与顶板事故等五大主要灾害中,均与地质条件相关。由于采区地质条件不详,致使工作面无法正常推进、接续失调以至于蒙受重大经济损失的事件,更是多次发生。主要表现在以下三个方面:

原地煤系地层中断层和褶曲极其发育、规律性差,直接制约矿井安全、高效开采。特别是落差较大的断层,常造成煤岩层直接与强含水层相连或断层带导通强含水层,井巷工程通过时常发生透水事故,甚至淹井。在瓦斯含量大的矿井,断层破碎带容易积聚大量瓦斯,井巷通过时常常造成瓦斯突出事故。

瓦斯是在煤层及上下围岩中以不均匀分布的形式赋存的,并伴随着煤层地应力变化和裂隙演化而运移,导致瓦斯聚集形成富集区。当采掘活动破坏了这种富集区的自然封闭体的完整性,就会造成瓦斯涌出或动力突出灾害。

地下煤层开采后会形成大面积采空区,特别是很多地区的无序开采造成煤矿采空区分布情况不明,煤矿采空区的沉降或塌陷以及其空间内的流体(水、瓦斯等)对地面各种大型工程建设和环境造成了重大的影响。

针对煤矿现存的影响煤矿高效安全开采的地质因素,如:断层、瓦斯富集区、采空区及其空间内的流体等,矿方需要及时探明,精确掌握其空间分布范围,才能保证煤矿高效、安全开采。

现状分析

有效预防煤矿水、火、瓦斯、煤尘与顶板事故等五大主要灾害事故的发生频度,保障煤矿安全生产,煤矿地质条件探查是关键。

近十年来地球物理技术工作者针对断层、瓦斯富集区及采空区与岩体的地层阻抗及电阻率差异,研发了矿井地球物理探测技术。比如利用三维地震探测技术查明断层、采空区位置。

但是,对于煤矿构造及采空区等地质探测,三维地震勘探等技术受高额成本限制,探测区域有限,加之上部煤层开采造成地表塌陷,部分区域不具备地面补勘条件。

针对复杂的煤矿地质条件勘探,安徽万泰地球物理技术有限公司研发了煤矿地下结构背景噪声三维成像系统。该系统利用密集地震台站采集连续背景噪音,包括潮汐撞击海岸产生的低频信号、地球内部的自信号、大地震后的尾波信号、煤矿开采过程中产生的噪声信号以及瓦斯流体产生的低频震动信号,通过台站对的互相关和叠加处理,提取出不同频率的基阶和高阶面波,从而确定从浅到深的三维横波速度结构体。该三维横波速度结构体对煤矿地质条件勘探中的断层、瓦斯富集区、采空区及其空间流体有非常好的显现作用,能够精准预测其空间位置和范围。

安徽万泰地球物理技术有限公司联合中国科学技术大学地球物理技术团队合作研发的煤矿地下结构背景噪声三维成像系统在使用过程中不需要人工震源(炸药或者震源车),是一种绿色经济的勘探系统。且相对于三维地震等探测技术的使用,该系统可长期探测,所创造的效益更大。

核心技术

基于密集地震台阵的背景噪声成像技术

基于连续采集的背景噪声数据,提取台站之间的面波格林函数,进行横波各向同性和各向异性成像。基于地表布设的密集台阵,采集和处理低频(1-10Hz左右)信号,通过叠加裂缝成像和烃震分析等技术,获得煤矿地下结构等。

双差地震层析成像技术

通过使用到时差数据,并利用震源和速度结构所存在的耦合效应进行共同反演,可以有效提高反演结果速度结构的精度,并在多个领域如断层、俯冲板块、火山等速度结构的探测上得到广泛的应用。

基于低频信号和叠加成像技术

对于富含瓦斯的裂缝,在大多数情况下处于滑动的临界状态,在煤层采动的影响下会释放出低频谐振信号,这主要体现在频谱振幅峰值聚集在某个低频例如3Hz附近。通过对区域进行网格离散化,根据三维速度模型,确定每个网格点到每个地震台站的地震波走时。以中心台站为基准,对其它台站接收到的波形进行向前或向后的时移,并进行叠加。最后对叠加的数据体提取出能量最强的网格,即为瓦斯储层位置。

实施方案

台阵布设

根据探测区域位置及探测深度,布设煤矿地下结构背景噪声三维成像系统台阵,来采集矿区及周边区域环境背景噪声。现场台阵采用矩形面状分布,相邻监测点间距50-300m,原则上是将探测区域包含在台阵中(右图,蓝圆代表台站)。连续观测一段时间,对此阶段的环境背景噪声数据进行采集。

背景噪声三维成像系统台阵,具有丰富的低频信号采集能力,如右图所示。内置配有三分量地震传感器、GPS模组、电子罗盘、姿态传感器、蓝牙模块以及可充电锂电池,无需任何外部电源即可连续工作60天以上。它可以实现定时开机采集、采集结束定时关机;也可连续采集;采用USBRS232、蓝牙等多种交互工作方式;数据自动本地存储;具有GPS授时、地理位置定位等特点。其高频达到200Hz 以上,可以满足瞬态面波勘探的需求。


三维横波速度结构体反演流程

三维横波速度结构体反演


对探测区域环境背景噪声原始数据进行预处理。



将反演区域按网格划分,反演得到各周期相速度的二维分布,进而得到每个网格节点的纯路径频散曲线。

反演每个网格的纯路径频散,得到每个网格下方的S波速度的垂向分布。

在不同周期面波层析成像结果的基础上,反演得到勘查区三维横波速度结构(图3-5),并给出不同深度横波速度结构水平分布(图3-6)。



煤矿地下结构体探测

通过分析探测区域地质资料(图3-7),利用三维横波速度结构体等地球物理信息对煤矿地下结构体进行解释(图3-8)。



项目效益

有效减少煤矿水、火、瓦斯、煤尘与顶板事故等五大主要灾害事故的发生频度,保障煤矿安全生产,煤矿地质条件预测是关键。安徽万泰地球物理技术有限公司煤矿地下结构背景噪声三维成像系统能够准确预测煤矿地质条件勘探中的断层、瓦斯富集区、采空区及其空间流体的空间分布,量化其对煤矿的危险程度,减少盲目性投入,做到有的放矢。在同等面积区域的地质探测上,相比较于三维地震勘探等常规探测方法,本系统可为矿山节省大量探测成本。该系统为煤矿提供了一种新的绿色经济有效思路,能够高效、快速、准确的量化煤矿断层、瓦斯富集区、采空区及其空间流体的空间分布,为煤矿生产安全提供保障。

案例展示

采空区探测

淮河能源控股集团煤炭开采过程中,存在以前遗漏的采空区,为确保煤层安全掘进、科学布置综采工作面,提高单进、单产水平和原煤质量,保障矿井有序接替,需要进行地面补勘工作,找出采空区的位置及范围。由于矿区存在生产活动,常规的三维地震探测技术对人员安全以及探测质量(噪声干扰)难以保证,导致无法实施;电法勘探由于无法进行大区域探测,导致探测效果不够精确。该矿区通过利用煤矿地下结构背景噪声三维成像系统采集矿山及附近环境背景噪声进行成像反演,成功探测到矿区内遗漏的采空区,并圈出范围,如右图所示:



瓦斯富集区预测

阳煤集团地质条件复杂、瓦斯灾害突出显现的矿井,随着工作面的回采,煤层瓦斯含量和压力大幅上升,迫切需要利用先进方法和手段,对现有瓦斯富藏条件进行探测,从而对瓦斯进行合理抽放或利用。传统的煤层气含量探测主要采用原位吸附试验,费用较高,且无法对煤层气整体的空间分布进行预测。通过利用煤矿地下结构背景噪声三维成像系统,采集环境背景噪声信号,确定三维横波速度结构,基于岩石物理实验测定的速度和瓦斯含量关系,定量化预测高瓦斯富集区(如右图),其中瓦斯含量高于9.8m3/t的区域面积有2.58km2,为地面瓦斯抽放和利用提供技术支撑。


近地表结构探测

随着经济发展迅速,城市圈一直在外扩,由于地处郯庐断裂带,存在地震风险,为降低地震灾害影响,需要对其近地表结构进行探测,以确保城市工程与建筑安全以及指导未来城市规划。由于城市人口密集性、安全以及探测深度,常规的地球物理勘探技术难以实施



安徽万泰地球物理技术有限公司联合中科大地球物理团队利用地下结构背景噪声三维成像系统采集环境背景噪声,反演断层带位置及区域速度变化信息,以此判断潜在的地震危险。图5-3为现场台阵布设图,三角形代表台站。图5-4为浅层不同深度的三维横波速度结构,从图中可以看出由于郯庐断裂含有岩浆侵入的变质岩相对周边区域为高速带(虚线代表断层位置)。图5-5为沿同一S波速度剖面局部地质剖面,白线代表地质上不同的地层单位,可以探测地表结构岩性变化。其中1为上白垩统砂岩;2为古元古代片麻岩;3为青白口期灰岩;4为早寒武世页岩;5为震旦系灰岩。




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