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★ 科技与工程 ★

超声波和地震映像在矿井巷道空腔勘察中的应用

华照来1 石增武1 李志勇2

(1. 榆北曹家滩矿业有限公司,陕西省榆林市,719000;2. 北京中矿大地地球探测工程技术有限公司,北京市海淀区,100036)

摘 要 针对陕北榆神矿区曹家滩煤矿矿井巷道涌水情况及存在的问题,为有效探查出巷道壁后空间介质分布情况及空腔等安全隐患,提出了超声波和地震映像法为主的综合物探技术手段;两种方法在探测深度和探测精度上优势互补,解决了单一物探方法存在多解性的不足,可在井下巷道壁后开展地层介质破碎、松软以及是否存在空腔的评价预测。通过综合探测圈定出1批综合物探异常,通过分类分级评价,在重点异常区采用钻探进行异常验证,结果表明钻探结果与物探异常吻合较好。

关键词 超声波法 地震映像法 物探多解性 综合物探技术

在影响我国煤矿安全生产的诸多因素中,矿井水害占有很大比重。矿井水的威胁不仅体现在采煤工作面,也反映在井下各类通道和设施设备安装区域。陕西榆林地区煤矿多具有地质构造相对简单、矿井水害威胁严重的特征,榆北曹家滩煤矿主副斜井井筒在建成投入使用后,出现2个区段不同程度的涌水,其中在井筒穿过半成岩沙化层和基岩顶部风化带含水层处涌水量大,流水长期冲刷形成一定范围的壁后空腔、空鼓。井筒先后经历2个阶段系统治理工程,主要以注浆堵水为主,巷帮和顶板基本已无淋水,侧帮渗水也有很大改观。涌水封堵于混凝土壁后区域,长期在地应力和重力的作用下,壁后介质仍有形成松散乃至空腔的可能,该潜在隐患极大地威胁着矿井的安全。

现阶段,在松散体、空洞、岩溶等探测工程中所采用的物探方法主要有高密度电法、地质雷达法、地震反射波法、地震映像法、大地电磁法以及电磁波CT法等诸多方法[1-6]。然而,高密度电法、地质雷达法及电磁法勘探等因受施工场地各类条件所限,在井下施工过程中很难开展。

笔者以榆神矿区曹家滩煤矿主副斜井井筒壁后空腔勘察为例,通过超声波和地震映像2种方法对矿井巷道壁后空间进行探测,综合分析2种物探成果资料成果,结合钻探验证再解释,使得勘察结果更加准确可靠。

1 物探方法的选取

由于不同种类的地质体,可能会引起强度和形态近似的地球物理异常,同一种地质体也可能产生强度不一、形态不同的地球物理异常;因此,物探异常定性解释具有多解性。为了回避单一物探方法多解性问题,充分发挥各种物探方法的优点,2种及2种以上的综合物探方法已经逐渐成为人们解决诸多工程问题的首要选择。在众多的物探方法中,每种物探方法都有其优点和局限性,在方法的选取上应结合具体的工程地质问题、测区的地质条件及施工环境,因地制宜采取最优的物探方法[3],多种方法相互补充、相互印证,并且在实际施工之前做好试验验证。

针对榆北曹家滩煤矿主副斜井井筒具体工程问题,考虑到巷道四周存在锚网、工字钢支护的混凝土浇筑构件以及电缆、管道等诸多外在干扰因素,选择了不受接地条件限制和电磁干扰影响的地震映像法。该方法在解决这类工程问题中,探测深度完全满足要求,但是对小规模异常体,尤其对浅部介质异常特征的分辨精度尚存在不足,为此在考虑综合物探方法时,选择了同样不受接地条件限制和电磁干扰影响的超声波法,该方法具有探测精度高但探测深度有限的特点。超声波法与地震映像法勘探所用的仪器设备轻便,操作简单,抗外界干扰能力强,在井下可实现快速化、自动化数据采集,是比较理想的井下物探方法选择。

超声波法和地震映像法能够在表面平整的井下巷道充分发挥前者探测精度高和后者探测深度大的优势,从理论上讲可以获得良好的探测效果,然而将超声波法应用于煤矿井下勘探尚未查明实例,因此本次应用仍处于试验研究阶段。

2 基本工作原理及工作方法

2.1 超声波法

超声波探测是利用声波仪测试声源激发的弹性波在岩石中传播的情况,进而研究岩石的物理性质和构造特征的情况,与地震勘探法一样,都是以弹性波场理论为基础,利用岩石弹性特征的探测方法。常用方法有穿透波法和反射波法,其中反射波法是根据超声波脉冲在异常体处产生反射现象来判断缺陷[7],主要有固定换能器间距反射法和共源反射法[8],工程应用中常采用固定换能器反射法进行,其探测技术示意图如下图1所示。超声波在介质中传播,遇到缺陷界面会发生反射,经反射后的声波信号返回到接收换能器,形成反射信号并被声波仪记录下来。超声波反射法探测缺陷主要基于探测界面两侧介质的波阻抗变化,界面两侧的介质波阻抗越大,则会出现能量较强的反射现象;反之,则会出现能量较弱的反射现象,利用反射波法进行构造缺陷检测或探测正是利用了这一原理[7]

图1 声波探测技术示意图

本次采用固定换能器间距法进行探测,仪器设备选用武汉中岩科技有限公司RSM-SY6超声波检测仪器,主要由仪器主机和压电晶体换能器组成。换能器能将振动与电信号进行相互转换,声波仪则用于采集并记录转换后的振动信号。经试验确定最佳工作参数:P波换能器频率为50 kHz,采样率为2 μs,采样点数共为3072个,换能器间距为33 cm,测点距为33 cm。

传统的声波反射法探测大多数是利用声波的频散特性和传播速度与介质物理性质的相关性进行研究。在超声波检测中,通过对接收信号进行处理得到其速度参数,根据超声波在不同介质中传播速度的差异来判断介质内部变化。这种探测方法具有局限性,只能探测物体表面最浅层的变化特征。目前比较有效的方法是用波形曲线来描述介质中质点的振动过程,以较直观的图形形式来记录介质中某点的振动信息。当反射波不明显时,以一条波形图来判断某界面的反射相当困难,将多个不同测点波排列起来,根据总体变化规律进行分析判断则相对更为可靠。笔者主要采用波形对比分析和频谱分析的基本方法,通过波形及频谱特征来确定被测对象内部介质变化情况,从而达到异常体圈定和识别的目的。

2.2 地震映像法

地震映像(又称“高密度地震勘探”或“地震多波勘探”)是一种基于反射波法中的最佳偏移距技术发展而来的浅层地震勘探方法。当在地面某点激发(如敲击)时,由于地下介质的弹性作用,在激发点产生冲击力后,附近的介质会产生弹性振动,此弹性振动以运动的形式在地下岩层中传播,形成弹性波。弹性波在介质中传播时,遇到物性分界面或突变点时将发生反射或绕射以及频散效应。地震映像法正是利用反射波和绕射波的特性,记录波的旅行时间和动力学特征,根据波的运动学和动力学特征,反映介质的物性参数,从而获取物性分界面或突变点的双程旅行时以及埋深[9-12]。地震映像法测量工作方式和超声波探测类似,均保持固定收发距离同步移动进行测量,如图2所示。激发后在接收点用单个检波器接收,仪器记录后,激发点和接收点同时向前移动一定的距离 (或称为“点距”),重复上述过程可获得1条测线上的地震映像时间剖面。当地下介质均匀时,由于接收时间是相等的,故反射波形成的同相轴是连续的;遇到地质情况复杂,往往反射波同相轴也较为杂乱。根据反射波同相轴的变化,来直观反映地下地质体或地质异常的存在[4,12-13]

H—深度,m;v1—上层介质地震波速度,m/s;v2—下层介质地震波速度,m/s

图2 地震映像法探测技术

仪器采用由北京中矿大地地球探测工程技术有限公司研发的YTC12分布式槽波地震仪,主要由YTC-12C采集站、YTC-12F触发记录仪和YTC-5J检波器组成。该仪器为ExibI本安型,适用于煤矿井下测量,可用于地震映像法数据采集工作,检波器采用纵波检波器。经试验确定最佳工作参数为:工作频率60 Hz,采样间隔0.25 ms,采样时长4 s,点距0.5 m,偏移距0.5 m,采用单道检波器,延迟时间0 ms,叠加次数为1次,震源为锤击震源。

在原始观测数据可靠的前提下,过多的数据处理反而可能会滤除掉一些有用的信号,导致信号失真[14]。所以本次数据处理进行了废道剔除、带通滤波、球面能量扩散补偿、道均衡等实质处理内容。为了确定异常区的具体位置,又进行速度分析与波列走时提取处理。最终的资料解释以地震映像时间剖面为基础,根据各个波组的能量变化、频率变化、连续性变化等特征来判断并识别地层介质破碎、松软以及空腔等地质现象[15]

3 实例应用及综合分析

通过在曹家滩煤矿主副斜井井筒2个漏水段巷道分别开展超声波探测与地震映像法探测工作,综合分析勘探结果圈定出1批综合物探异常,现选取特征较为明显的2条剖面分别进行分析探讨。

副斜井底板1200~1250 m区段超声波法和地震映像法时间剖面图见图3和图4,该区段地层为保德组红土含水层,土质变软,易垮落,层位不稳定,其下部为含水砂层,无胶结。由图3可见,超声波图像显示共圈定出3处异常,编号分别为YC1、YC2和YC3,该超声波信号为直达波和反射波以及绕射波等多种信号的叠加,很难从信号频率的变化进行分析,但是从信号能量衰减的角度可以对异常进行评价。一般来说,信号开始衰减处即为波阻抗存在差异介质界面的反映,波阻抗差异越大,信号的衰减和吸收程度也越大。图3圈定了3处异常,超声波信号衰减迅速,且整个剖面下部能量均很弱甚至没有,不排除该段区域大范围存在介质松软、不密实的可能。由图4可见,地震映像图共圈定出3处异常,分别为DY3、DY4和DY5,其中超声波异常YC1与地震映像异常DY3位置对应,YC2YC3与DY4位置大致对应。此两处异常为综合异常显示,DY3异常处反射波同向轴明显缺失,形成小范围空白区域,较晚期续至波同向轴较为连续;DY4异常处反射波同向轴较为杂乱,反射波能量较弱;DY5异常处反射波同相轴连续性变差,较为杂乱。综合两种物探方法认为该3处异常处为地层介质在水作用下出现松软、破碎甚至可能为空腔的反映;经钻探验证,与实际揭露情况相吻合。

图3 副斜井底板1200~1250 m区段超声波法时间剖面图

图4 副斜井底板1200~1250 m区段地震映像法时间剖面图

主斜井左帮500~550 m区段超声波法和地震映像法时间剖面图见图5和图6,该区段地层为保德组红土失水沙化含水层,土质变软,易垮落,层位不稳定,其下部为含水砂层,无胶结。由图5可见,超声波法时间剖面图中共圈定出3处异常,编号分别为ZYC1、ZYC2和ZYC3,此3处异常能量有明显的衰减现象,且与其他区段波形频率明显不同。一般来说,信号开始衰减处即为波阻抗存在差异介质界面的反映,波阻抗差异越大,信号的衰减和吸收程度也越大,推测该区域地质异常存在的可能性较大。由图6可见,地震映像图显示圈定出两处异常,分别为ZDY1和ZDY2,其中超声波异常ZYC1和ZYC2分别对应于ZDY1和ZDY2异常处,此两处异常为综合异常显示。ZDY1异常反射波同向轴杂乱、断续出现;ZDY2异常反射波同向轴出现错段和弯曲现象。综合分析推断此两处异常为地层介质在水作用下出现松软甚至为介质不密实的反映; 经钻探验证,与实际揭露情况相吻合。

图5 主斜井左帮500~550 m区段超声波法时间剖面图

图6 主斜井左帮500~550 m区段地震映像法时间剖面图

4 结语

采用超声波法和地震映像法综合物探手段在矿井巷道侧帮和底板进行探测,取得多处综合物探异常显示。受超声波仪器激发连续信号所限,采集信号包含有直达波、反射波以及绕射波等诸多信号,信号相互叠加以致很难从中提取某种单一的信号,从而在能量、相位、频率等多种角度进行分析评价。然而,叠加信号的整体衰减特征也携带了介质内部波阻抗变化信息,结合地震映像法所圈定异常处的同相轴变化特征,仍能提高综合物探异常判断的可靠性。该两种物探手段的综合应用在矿井巷道壁后探测介质异常具有一定的可行性,但也存在一定不足,通过本次实践,提出以下几点认识和建议。

(1)矿井巷道情况复杂,因各类机械及过往车辆振动,对地震映像现场高质量数据采集带来一定影响,超声波数据采集为高频发射和接收,常规机械振动等干扰因素对其信号影响很小。

(2)地震映像法是基于反射波法中最佳偏移距理论而来的浅层地震勘探方法,实际工程应用中,偏移距的确定尤为重要,不同偏移距下地震响应特征不同,应根据实际情况通过试验选择合适的偏移距进行激发和接收,在数据处理中过多的修饰处理是不必要的,只需在废道剔除等基础上进行必要处理即可。

(3)利用超声波反射法探测应尽可能选用发射脉冲信号的仪器,接收到的信号除了少量的直达波成分外,主要以反射信号以及绕射信号为主且直达波信号为首波,能有效与续至波信号分离,探测效果会更好,此外可通过技术改造,增强换能器发射信号的功率,以达到较大探测深度的目的。但应注意,频率降低,可能会导致纵向分辨率有所下降。在实际应用中,应根据勘探目的选择较为合适的频率,既能保证探测精度,又能提高探测深度。

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Application of ultrasonic wave and seismic image in cavity exploration in mine roadway

Hua Zhaolai1, Shi Zengwu1, Li Zhiyong2

(1. Yubei Caojiatan Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719000, China;2. Beijing GEOCMW Geophysical Exploration Engineering Technology Co., Ltd., Haidian, Beijing 100036, China)

Abstract In view of the water gushing situation and existing problems in Caojiatan Coal Mine of Yushen mining area in northern Shaanxi, in order to effectively detect the spatial medium distribution, the cavity and other potential safety hazards behind the roadway wall, a comprehensive geophysical detection technology based on ultrasonic wave and seismic imaging method was proposed, and the evaluation and prediction test of the formation medium broken, soft and cavity behind the roadway wall was carried out. The advantages of the two methods in the detection depth and detection accuracy were complementary, which solved the multi-solution problem of single geophysical method. A batch of comprehensive geophysical anomalies were delineated through comprehensive exploration, and through classification and grading evaluation, drilling method was used to verify the anomalies in key abnormal areas, and the results showed that the drilling results were in good agreement with geophysical anomalies.

Key words ultrasonic wave method, seismic imaging method, multi-solution problem of geophysical prospecting, comprehensive geophysical prospecting technology

中图分类号 P631

文献标识码 A

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引用格式:华照来,石增武,李志勇. 超声波和地震映像在矿井巷道空腔勘察中的应用[J].中国煤炭,2020,46(10):102-106. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2020.10.017

Hua Zhaolai, Shi Zengwu, Li Zhiyong. Application of ultrasonic wave and seismic image in cavity exploration in mine roadway[J]. China Coal,2020,46(10):102-106. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2020.10.017

作者简介:华照来(1986-), 男,安徽安庆人,硕士研究生,高级工程师,现从事矿井地测质防治水技术管理工作。E-mail:huazhaolai110@163.com。

(责任编辑 郭东芝)