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地震超前探测技术

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地震 超前 探测 技术
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地震波超前探测技术地物 10 吴旭东 姜重昕目前用于超前 探测 的方法主要有直接钻探法、地震波法、井巷 电阻率法 、电磁波法等。其中反射地震波法是应用最多 的一 种方法,具体来说,依据反射波原理超前探测 的方法主要有隧道地震剖面系统、隧道垂直地震剖面法、水平 声波剖面法、真反射成像法、综合地震成像 系统以及 陆地声纳法 等。1、隧道 地震超前预报系统 (新款为 03型 ):是 由瑞士 安伯格 (量技术公司研制的一套先进的 地质 超前预报探测 系统。 ,采用了回声测量原理,通过分析 反射 地震波信号的运动学和动力学特征,对断层、 岩石破碎 等不良地质体的位臵、规模、产状及岩石力学 参数 进行计算与界面提取成图。其成果解释依据: 正反射 振幅表明硬岩层,负反射振幅表明软岩层;若 波强,则表明岩层饱含水;若 松比突然增大,常常由于流体的存在而引起; 若下降 ,则表明裂隙度或孔隙度增加;该方法 有效探测 距离在 200 、负 视速度法、垂直地震剖面法:地震负视速度法类似于 20世纪 90年代 初由曾兆璜提出,或称隧道 垂直地震剖面法 (利用地震波在不均匀地层中 产生的 反射波特征,来预报隧道施工开挖面前方及 周围区域 的地质情况。同样在隧道洞室侧壁的一定 范围内 布点进行激发与接收反射波,反射界面与测线 直立 正交时,所接收的反射波与直达波在记录图像 上呈负视速度。其延长线与直达波延长线交点即为 反射 界面的位臵。当所得记录中没有明显反射波时 ,预测 开挖面前方的岩质是均质的。通常负 视速度法 是测试面与所要探测的地质界面相互垂直, 这种方法 对与巷道夹角大于 70度的 异常界面适用性强 。3、水平声波剖面法 (最早由日本 0世纪 50年代用于隧道前方地质探查 。其工作原理与地表反射地震类似,是分析反射波走时计算地层界面位臵。 0~ 70 内,同样在一侧帮取 2 发地震波, 24个左右高频传感器接收地震波。 1为 、真 反射层析成像 (由美国 0世纪 90年代 后期开发 完成,目前在欧洲、亚洲开始应用,其巾日本、 澳大利亚 和香港隧道工程中应用最多 。 测方式和资料处理方法上与 观测上,它采用的是空间多点接收和激发 系统 。检波器和激发的炮点呈空间分布,布臵在 巷道迎头 、顶板及两个侧帮上,以充分获得空间波场 信息 ,提高对前方不良地质体的定位精度。在资料 处理 方法上是通过速度扫描和偏移成像。该方法对 岩体 中反射界面位臵的确定、岩体波速和工程类别 的划分 等都有较高的精度5、综合 地震成像系统 (是 1999年由德国 学 合作完成的一套地震测试 系统 。 它将 3个 相互 垂直状态的检波器,利用粘固剂固定在锚杆上, 按一定 间距安装在隧道的墙面上。并利用 发地震波,从而接收地震记录。数据处理 是采用 方法可 对隧道及井巷工程掘进前方以及顶部的复杂地质构造进行较为全面的预报。6、陆地 声纳法 (也叫高频地震反射法 )是钟世 航 1992年提出的,其实质是垂直地震波反射法 。 该方法 在隧道掌子面上采用极小偏移距,单点采集 高频 地震反射信号形成连续剖面,通过十字形 观测系统 和宽频带脉冲接收技术,预报掌子面前方断层 及其 它地质界面的位臵和产状。该方法优点是 分辨率高 ,但需占用掌子面。动方程交错网格有限差分 数值模拟二维波动方程应力与速度 关系为地震 超前探测数值模拟及波场特征式中, σσx、 z 方向的正应力 ; σ λ、 μ 为拉梅参数 ; x、 z 方向的振动速度 ; t 为传播时间对一阶速度- 应力弹性波动微分方程进行 2 阶时间差 分精度和 4 阶空间差分精度的交错网格 有限差分 ,其紧致 差分格式为 : 模拟过程中取 Δx = Δz = 1 m, Δt = 0. 1 震源函数 采用频率为 150 雷克子波纵波源激发, 在施工 现场考虑安全因素可采用机械震源和小药量 炸药震源 等 。模型 边界采用 收边界,以减小人工 边界 产生的边界干扰。根据以上差分格式和 边界条件 ,利用计算机软件进行数值模拟。2 状地层采煤巷道内激发的地震波 场特征煤 系地层是典型的层状 结构,可 将煤层与 层状顶底板 看作横向各向同性 均匀介质。 据此, 设计了 采煤巷道工作面的层状模型 1顶板 : 2 600 m/s, 1 700 m/s, ρ = 2 000 巷道 : 340 m/s, 0, ρ = 100 煤层 : 2 200 m/s, 1 200 m/s, ρ = 1 400 底板 : 3 000 m/s, 2 100 m/s, ρ = 2 400 底板下岩层 : 2 600 m/s, 1700 m/s, ρ = 2 000 波速度 ; 波速度 ; ρ 为密度,下同图 2 为模型 1 地照震波 波场在不同时刻的波场 快。图 2( a) 表明,波场中存在顶板纵波、顶板横波、底板纵波、底板横波、巷道内管波、巷道内声波、煤层纵波、煤层横波以及在顶底板界面和工作面上产生的多次反射波、转换波、绕射波等。由于传播时间较短,在煤层内的煤层纵波和煤层横波及顶、底板之间的多次反射波混叠在一起 。 图 3 为采用模型 1 中的激发接收方式的 200 录,其中同相轴 1 为底板直达纵波 ; 同相轴 2为 底板直达横波和巷道内管波混叠 ; 同相轴 3 为底板下界面反射波 ; 同相轴 4 为巷道内声波。从图 3 地震记录 中没有发现能量较强的在顶板中传播的各类波 ,因此 采用工作面激发地板接收的观测接收方式 可以有效 排除顶板波的干扰。3 方存在地质异常体的地震波场 特征在模型 1 的基础上设计了采煤工作面前方 100 在界面为倾斜的侵入地质体模型 2侵入地质体 : 3 600 m/s,v s = 2 700 m/s, ρ = 3 000 图 5 为模型 2 地震波波场在不同时刻的波场 快照 ,与图 2 相比可见,模型 2 波场更为复杂。模型 2波 场中除了存在模型 1 波场中的各类波外,还存在 各类 波在地质体界面产生的透射波和 反射波。图 6 为模型 2 的 200 震记录,与图 3 模型 1的 地震记录相比较,可以发现其中除了含有模型 1 接收记录中的各类波同相轴外,还存在在工作面前方 构造 界面上产生的绕射波同相轴 1 和反射波同相轴 2。1 激发 装臵1. 1 震源类型:激发装臵包括震源类型与触发方式。要求震源能量大 , 频率高 , 和采用小药量爆炸震源在业内已 达成 共识 , 但高质量的震源信号还与岩体的围岩质量 、起爆 时炮眼内是否注满水有关。同等条件下 , 水 中起爆 和无水起爆相比较 , 其地震波的传播距离 前者是 后者的 1. 5~ 2倍 , 地震波频率前者比后者高 1. 5~ 3倍 , 在充满水条件下可有效压制管波的 干扰能量。数据采集参数选择1. 2 触发方式:触发时间精度关系到地震波的读时精度和 速度的准确性。2 接收 装臵接收 传感器是地震数据采集最为关键的设备 之一 , 其性能直接关系到地震数据的质量和地震波 成像 的精度。三分量检波器必须具有高保真、高 指向性能 和较宽频带响应等特点 , 保证地震波波形完整 、纵横 波信息丰富明确 。3 采集 参数3. 1 炮距与常规地震勘探相比 , 隧道地震波沿 岩体 传播 , 速度快频率高 , 记录的延时误差与人为的 读数 误差对解释成果的影响更大。同一炮距条件 下预报 误差随岩体速度增大而增大 , 同一岩体条件下预报 误差随着炮距的增大而 减小。但坚硬 岩与硬岩隧道炮距宜选大 , 可选 2m; 软岩与较软岩隧道地震波衰减快 , 炮距宜选小 ,可选 1~ 1. 5m。3. 2 偏移距坚硬 岩与硬岩隧道偏移距宜选大 , 可选 35~ 50m; 软岩与较软岩隧道在无管波干扰条件下 偏移距 宜选 15~ 25m, 在管波干扰条件下应综合 考虑预报 距离适当加大偏移距 , 可选 20~ 30 m。3. 3 采样率与采样 点数一般软岩的 地震波 (小药量爆破激发 )频率为 200~ 600H z, 硬岩为 400~ 1 500H z 。根据抽样定理 , 抽样间隔 $与 谐振最大 频率足 f <1/2以最高频率 1500H 只要小于 0. 333m 考虑读数 精度 一般采用高采样率采集 , 即选用 0. 05 ~ 0. 1 m s,采样 点数与预报距离有关 , 预报距离在 100~ 200 样点数选 2 048~ 4 096。1 地质 概况龙东煤矿隶属上海大屯能源股份有限公司,位于江苏省徐州市。井田含煤地层有太原组、山西组、下石盒子组, 其中可采或局部可采煤层为 7、 17、 21号煤层。本区位于滕鱼复向斜中滕县的倾伏部位,井田内褶皱构造较为发育;褶曲内断裂构造发育,断层分布很不均匀,大断层多分布于井田东南部和西部,并成束状、枝状分布,制约矿井安全生产。矿井地震超前探测技术在龙东矿的应用在 龙东 矿 21 试煤采区回风巷迎头有限空间内展开,测线布臵巷道左帮上,采用炸药震源。其炮孔 20 个, 接收传感器 点为 2 个即 感器及炮孔顺序、 方位及 炮间距见 图, 炮点布臵在左帮。其中 感器距离 炮点 距 5m。测点 2 传感器 集数据是 用两个三分量传感器 收 20 炮地数据 。地震波形的频谱分析图现场实采波形及直达波速度拟合从图中可以看出直达纵波速度为 5000m/s,直达横波 速度为 2780m/s。利用直达波速度可 基本确定 本探测区域速度范围并作为深度偏移时的 速度背景值。深度 偏深度偏移处理为 理的核心部分。在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移 归位 至空间点上, 以此成果图件为基础提取巷道 前方反射 界面。基于直达波速度,本次均匀横波速度 背景值 取值为 2 780m/s。由于采用炸药震源,探测距离 较远 , 整体探测距离达到 其中已揭露 区 揭露区100m。度偏移结果图( )从图中可以提取出 5 个异常界面,分别为 头前 迎头前方 迎头 前方 头前方 结合 地质资料, 5 个异常界面解释为小断层。根据现场掘进实测剖面资料, 21 煤试采区 回风巷 的 2010头处(测点 前方 100m 范围内存在 5 个小断层,分别为 :① 迎头前方 存在一小断层 ∠ 70° ,落差 H 迎头前方 存在一小断层 ∠ 80° ,落差 H 迎头前方 存在一小断层 ∠ 80° ,落差 H 迎头前方 存在一小断层 ∠ 80° ,落差 H 迎头前方 存在一正断层 ∠ 73° ,落差 H 过 与现场结果验证对比, 测异常 界面个数 与实际情况吻合良好,界面距离误差 别为: 最大界面距离误差为 前 探测 100m
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