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    煤礦巷道隨掘超前探測系統

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    技術背景

    應用場景

    煤礦巷道是安全生產的咽喉要道,存在長度長、施工地點多、安全事故多發等特點。在巷道掘進過程中,巷道前方可能造成安全事故的不良地質體,如陷落柱、富水帶、瓦斯富集區等。巷道事故已經成為煤礦安全生產最主要的威脅之一,嚴重危害著煤礦的安全生產。因此提前查明掘進頭前方的地質及流體分布異常情況,可以提前合理規劃和針對性治理,可有效減少乃至避免動力災害的發生。

    現狀分析

    煤礦掘進巷道應用的超前探測方法包括鉆探、電法和傳統地震法(TSP)等。鉆探法雖然能夠直接查清掘進面前方的地層巖性、構造等,但是設備笨重,一次有效探測受限較多,頻繁操作費時費力,影響正常掘進。電法主要基于電阻率等巖石電磁屬性分析圍巖的視電阻率,由于發射電場為空間球形,會受到巷道側面地質條件、雜散電流及運行設備等干擾,造成較多的虛報或誤報,最關鍵的是每次探測的距離有限。傳統地震法則是利用炸藥作為震源獲得

    礦井巷道地質異常體位置信息,但是在現場施工過程中,需停止一切生產活動,且當探測對象為高瓦斯礦井里的突出煤層時,無法進行施工預測。萬泰煤礦巷道隨掘超前探測技術,可以利用綜掘機或者施工產生的震動信號進行反演探測,避免了使用炸藥等主動震源,不影響正常的施工進度;且隨著工作面不斷的向前推進,可以對臺站進行向前同步移動,使得探測距離更長。

    核心技術

    煤礦巷道隨掘超前探測技術使用了國內先進的散射波疊加成像算法,該技術在數據處理方面關于散射波信號的提取除了常規的各個接收道與震源道進行互相關處理之外,更重要的是利用了連續信號的無限時長,且根據統計規律以及有效信號的可重復性,通過多次疊加原理大大地提高了原始地震資料的信噪比及反演結果準確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術,進行巷道迎頭前方三維地質成像,如右圖所示。


    實施方案

    煤礦巷道隨掘超前探測系統硬件

    煤礦巷道隨掘超前探測系統硬件主要包括高精度地震檢波器(圖2)和數據采集儀(圖3):高精度地震檢波器用于記錄震動信號,作用非常關鍵,是整個系統的最基礎部件;數據采集儀處理后的波形信號的質量會直接影響后期的處理結果,是整個系統的最重要部件,本系統數據采集儀具有高分辨率、高采樣率、高觸發精度以及低本底噪音等特性。通過布設在巷道內的高精度地震檢波器接收開挖過程中煤體微破裂產生事件所釋放的能量波,將機械振動信號轉化為電壓信號經過通訊電纜(防阻燃帶屏蔽層)傳輸至數據采集儀,通過數據采集儀的精細化處理,得到準確可靠的探測數據。


    煤礦巷道隨掘超前探測系統軟件

    煤礦巷道隨掘超前探測系統軟件,集數據處理、數據分析與成像為一體,具有技術先進、定位精度高、系統布置快速靈活、操作簡單、技術支持及時有效等優點。通過將數據采集儀處理后的探測數據導入到本軟件系統中,對波形進行截取、濾波、陷波和噪聲過濾等操作,選取有效數據對巷道迎頭前方進行反演,通過分析反演后的結果,確定前方異常體類型、空間分布等信息,為煤礦安全高效生產提供服務。



    施工方案

    現場采用直線式的檢波器布設方式,檢波器間距宜為6m左右,檢波器不宜少于8個,依次編號做好標記S1-S8,首個檢波器距離工作面間距宜小于20m,整個探測裝置隨著巷道工作面不斷向前推進而交替前移。每個檢波器均應能接收到震動信號,并根據現場巖性設置采樣頻率。檢波器應安裝于巷道鉆孔內,鉆孔深度應保持一致,以保證檢波器的順利安裝及高質量數據的采集,在檢波器孔附近用掛牌標注檢波器孔號。采集儀應布置于檢波器鋪設線狀中心點,便于后期的交替前移,檢波器電纜沿接收點鋪設并與采集端連接,如圖6所示。



    案例展示

    現場施工情況

    淮北礦業集團巷道采用綜掘機進行開挖作業,煤層巷道隨掘超前探測系統現場探測裝置布設如圖8所示。在煤層工作面掘進巷迎頭后方布設一套12通道地震監測系統,外接12支地震檢波器,編號S1-S12,道間距3m,布設于巷道工作面煤層壁幫。由于巷道隨掘過程中迎頭后方10m之內安全性較差。因此,迎頭后方第一支地震檢波器S1根據現場環境布設在迎頭后方10-20m范圍內。迎頭每推進20m,最后一支地震檢波器S12往前移動72m,距離最新巷道迎頭10-20m,整個探測裝置隨著巷道迎頭前進而交替前移。地震檢波器安裝鉆孔深度3m,俯角孔,如圖9所示。


    監測結果

    該煤礦進行超前探測測試時,對現場采集原始波形數據進行時域、頻域分析,相關干涉及反演成像,圖10、圖11為反演分析二維成果切片圖、圖12為反演分析成果結合現場巷道剖面成圖。




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