（地质工程专业论文）煤层开采覆岩破坏的综合物探技术.pdf

摘要 摘要 随着煤炭资源的进一步开发，水体下采煤已经非常必要。为了保证水下采煤的 安全性，我们分别在安徽淮南新集二矿的1 l1 3 1 0 6 工作面和河南新安煤矿的1 4 1 4 l 工作面做了覆岩破坏观测实验。前者采用了电阻率法c t 和地震m s p 联合观测技 术，后者采用了电阻率法c t 和地震c t 的联合观测技术。 本文首先介绍了地震c t 探测技术和地震m s p 探测技术以及电法c t 的探测技 术，然后介绍了煤层开采后上覆岩层破坏的一般规律。详细描述了综合物探技术在 两个矿的应用情况，包括所采用的技术措施，数据采集，工作面的推进速度、推进 位置和相应日期的记录，便于室内的数据处理和分析等一系列过程。 结果表明，煤层顶板视电阻率动态监测技术可以直观动态监测断裂带的发育形 态以及采动矿压的显现规律，并取得了良好的监测效果，为矿井安全提供了有效的 探测手段。实际探测表明，对于全空间电阻率观测，其视电阻率值的实际反映主要 是以突出异常为主，当煤层覆岩视电阻率较背景电阻率值增大1 2 倍时为裂隙发育 带，当增大3 倍以上时为垮落离层带。 通过和其他方法所获得的结果做了比较，结论是几乎相同的，证明了电法探测 和地震探测联合物探方法在研究覆岩破坏方面是精确可靠和切实可行的。 在结尾部分，本文对地震探测的激发器、接受器以及地震仪器和电法仪器的软 硬件作了展望。 图4 5 表4 参3 9 关键词：地震探测；电法探测；c t 技术：覆岩破坏 分类号：( 1 2 ) ； 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t w i 也t l l ed e v e l o p m e n to fc o a lm i n e s ，“h a sb e c o m en e c e s s a r yt oe x c a v a t et h e m 舶m w h e r et h e r ei sw a t e rb o d yo v e d y i n 昏f o rt h es a f e t yo fc o a lm i m n gu n d e rw a t e r ，w es t u d i e d t h cn l l eo fo v e r l y i n gs 似a 蜘l u r e 撕e rc x c a v a t i n g t h ef i r s tt e s ti sc a f r i e do u ta tx i 玛i m 协e sl11 3 1 0 6 、o r k i n g f a c ei nh u a i n a nc i t ya n h u ip m v i n c eu s i t l ge l e c t r i ci k s i s t i v i t y i m a g i n gm e t l l o da 1 1 dm i n es e i s m i cp r o b i n gt e c l l i l i q u e ，t h es e c o n de x p e r i m e n ti sp e 雨m 呛d a tx i r mm i l l e s1 4 1 4 1w o r k i n g - f a c ei nl u o y 蛐gc i t yh e n a np m “n c eu s i n ge l e c 仃i c i m a g i n gm e 山o da i l ds e i s m i cc o m p 砸n gt o m o g r a p h yt e c l l i l i q u e i nt l l i sd i s s e r c a t i o n ，s e i s m i cc o m p u t e rt o m o g m p h y ，m i n es e i s i l l i cp r o b i n gm e l o d a n de 1 e c 仃i cr e g i s t i v 耐c o m p u t e rt o m o g r a p h yf o l l o w e db yt h e o r yo fo v e r l y i n gs 仃a t a 筒l u r c 盯ed e s c f i b e dr e s p e c t i v e l y a n d 似oe x p e r i m e m sa r ed u p l i c a t c di nt e 咖so f g e o l o 西c a le n v i r o r l i n e n ta n dg e o p h y s i c a ls u r v e ym e t h o d t h e n ，e x p e d m e n t a ld a t aa r e a n a l y z e ds y s t e m a t i e a l l y t h er e s u l t so ft h et 、v o e x p e r i m e n t si n d i c a t e t l l a tw ec 趾f i n do u tt h ee v o l u t i v e c o n f o n a t i o na n dt h ee m e r g i n gr e d i s 缸b u t i o no f 细腿w e i g h t 协gb yu s i n gg e o p h y s i c a l t e c h n i q u e i i lp r a c t i c e ，w h e nr e s i s t i v i t yo f l ew h o l eg e o l o 西c a lb o d yw a so b s e “e df o r s e v e r a lt i m e s ，“w a sf o u n dm a tt l l ea b n o m l i t i e sc a l lb es i n g l e do u t i ti sc o 曲m e dt l l 砒t h e r e s i s t i v i t yo fu p p e rt e h 锄ea 船rd e s 咖y i n gi so n et o 帆ot i m e s 伊e a t e rt h 觚m a to f b a c k 掣埘l n di nc a v i n gb e n sa 芏l dt l l r c ct i n l e sg r e a t c rt h a nm a to fb a c k g r o u n di n 矗a c t u r e d b e l t s t h er e s u l t sa i s om d i c a t et h a ts e i 辄a i cm c t h o dh a s 也ea d v a n t a g eo fd e t e c t i n gt l l e s i n k i n ga n g l eo f o v e r l y i n gs 仃a t ai nm i n e s c o l p a r e dw i t ho t h e rm e m o d s ，“i ss h o w nt i l a tc o m b i n e dg e o p h y s i c a le x p l o r i n g m e t l l o dt os t u d yt h e 缅l u r eo f b v e d y i n gs t r a 【ai sp r e c i s e ，r e l i a b l ea n d p m c t i c a b l e a tt l l ec n do ft 1 1 ed i s s e r t a t i o n ，如t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa r em a d ei nt e n n so f s e i s m i c 僦n g ，s e i s m i cr e c e i v i n g ，d a 诅c o l l e c t i o na 1 1 dd a t ap r o c e s s i n g f i g u r e4 5t a b l e4r e f e r e n c e3 9 日 k e y w o r d 啄、- s e i s m i cm e t l l o d ，e l e c h cr e s i s t i v i t ym e t h o d ，c o r i 巾u t f 撑t o m o g r a p h y ， 脚1 u r eo f o v c r l y i n gs 打a 衄 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得塞煎堡玉盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：望筵彳易签字日期：盈，铲钥，夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞筮堡墨太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：豸徨荡 导师签名： 易1 蜴孕 4 签字日期：6 年加阳日 签字日期：。年6 月，口日 引言 = 口 中国是一个煤炭大国，与其他国家相比，中国在煤炭行业牺牲的工人要比其他 国家多的多，中国在煤矿安全方面所做的研究相应地要比其他国家多的多。用中国 科学院院士何继善教授的话来讲， “杀人的武器越多，救人的手段就越多、越先 进”，“中国人的事情，还需要中国人自己来办”：也就是说，中国人在煤矿安全 方面的研究处于国际领先地位，没有多少经验可以从国外借鉴。 随着中国采煤技术的提高，采煤速度大幅度提高，地下煤炭资源在大幅度减 少，采煤的目标正在转向“三下开采”( 建筑物，道路和水体) ，其中水体下采煤 的安全问题便是我所做研究的课题背景。 不同地区由于岩层结构、岩石性质、构造情况、水文地质条件、开采方式、岩 层的深度和厚度及倾角等的不同，煤层开采后的覆岩破坏情况有时差异会很大。 研究覆岩破坏的方法有多种，包括以钻孔冲洗液为代表的传统方法和以高新技 术为支撑的现代地球物理方法( 电法成像、地震成像和超声波成像等) 。传统的钻 孔冲洗液法，重要凭借个人经验来判断吸风和卡钻等现象，所得结论没有强有力的 技术支持，因此已经过时并逐渐退出市场；而以地震成像和电法成像为基础的地球 物理探测技术，以其强大的技术优势，在覆岩破坏的探测中正在发挥其重要的作 用。 我们实验室开发的地震仪器k d z l l1 4 3 矿井地质探测仪和并行网络电法仪器， 其特点在于数据采集和处理的精度高，施王和操作方便易行。与钻孑l 内的超声波成 像相比，地震和电法的探测空间要大的多，消除了一孔之见的缺点。 安徽淮南新集二矿和河南洛阳新安煤矿在地面都有水体，新集二矿为在花家湖 水底下采煤，新安煤矿面临小浪底蓄水线以下采煤，都具有水害隐患。我在这两个 矿各自取了一个工作面做了煤层开采后上覆岩层破坏的研究，都达到了预期的效 果。既为煤矿的安全开采设计提供了参数，也为地球物理勘探技术的研究提供了大 量的数据。 安徽理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 问题的提出 在目前条件下，煤炭仍然是世界上的主要能源。我国是一个煤炭大国，随着煤 炭资源的进一步开发，研究煤层“三下( 建筑物、道路和水体) 开采”的上覆岩层 的破坏规律，显然具有十分重要的意义。 地震和电法等物探技术，根据地质体物理场( 速度场、电场等) 的变化，可以 追踪其在地质结构上发生的变化。 我们所使用的地震和电法的综合物探技术，已经帮助煤炭企业解决了大量的地 质问题，例如在探测煤厚、探测断层、探测陷落柱、探测老空区、探水和探测瓦斯 等方面，都积累了大量的经验，取得了丰硕的成果；而且在煤层开采引起的覆岩破 坏规律的研究方面，也已经取得了一定的经验。 在覆岩破坏规律的研究领域，有从工程力学角度进行研究的关键层理论研究， 其研究的方法多采用相似材料模拟实验；有从纯粹数学物理角度进行研究的，起研 究的方法为数值模拟。 结合关键层理论，利用现有的地球物理探测技术来调查煤层开采后覆岩破坏的 具体过程，对于指导煤矿的安全生产将产生巨大的经济效益和社会效益。 1 2 研究的目的和意义 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，随着水体下采煤的大幅度增加，覆岩移 动变形、破坏和导水裂隙带发育规律研究受到人们的高度重视。许多煤炭科学工作 者也对此进行了研究，取得了一些突破，研究工作正在不断深入。但由于地质环境条 件及岩( 土) 体结构的复杂性，过去的研究还存在较大的局限性。总体上看，导水裂 隙带高度的研究，至今仍处在经验积累和理论探索之中。 地下煤层的开采，将引起上覆岩层的应力变化，导致覆岩的移动与破坏，引起 地表的移动变形，对建筑物、水体、铁路、农田、植被等造成破坏。为避免这些破 坏，通常的做法是在被保护对象下方划定保安煤柱区域不予开采，造成大量煤炭资 源没有开采，形成严重的压煤问题h 。 为了解决“三下开采”的压煤问题，必须要研究开采后上覆岩层的破坏情况， 因此产生了许多研究和探测的方法。 2 第1 章绪论 1 3 国内外的研究现状 煤层开采覆岩破坏的研究总体上分为三大类：理论计算、相似材料模拟实验和 原位探测。 1 3 1 数值模拟 数值模拟软件采用f l a c 有限差分程序，能较好地模拟地质材料在达到强度极限 或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，适用于模拟 大变形问题【2 1 。但是，其缺点也很突出，因为地质体是复杂的，并不是理想的模 型，所以纯粹的数值模拟不能够反映具体的异常，在实际应用方面有很大的局限 性。 1 3 2 相似材料模拟 相似材料模型实验的实质就是根据相似原理，将研究区范围内的煤系岩层按一 定比例用相似材料制成模型，在满足相似的边界条件和初始条件下，对模型中的 “煤层”进行“开采”，在相应的时期内造成相似的矿山压力现象，通过量测和分 析其规律，由模型的变形破坏情况来推断实际煤系岩层在开采时所发生的变形破坏 情况，为有关开采决策服务。在工程地质力学模型实验中，由于采用的几何相似比 例比较小，就要求材料的强度比较低，为满足应力相似条件，一般选择重度比较大 的材料，例如重晶石等【3 1 。 1 3 3 原位探测技术 所采用的探测方法主要有：( 1 ) 地面钻孔冲洗液法；( 2 ) 井下仰孔注水测漏法 ( 3 ) 钻孑l 电视法； ( 4 ) 弹性波测井法；( 5 ) 孔间震波c t 法；( 6 ) 瞬变电磁法；( 7 ) 电 阻率法等。 ( 1 ) 钻孔冲洗液法 传统的方法是地面钻孔冲洗液消耗量观测方法，即从地面向采空区打钻，根据 钻进过程中钻孔循环冲洗液消耗量的变化、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻 孔吸风、岩芯观察及地质描述等情况来判断导水断裂带高度。这种方法工程量较 大，工艺较复杂，观测结果的准确性和可靠性也不高，特别是地表有水体时，在地面 打孔观测是不可能的。 - 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 井下仰孔注水测漏法 井下仰孔注水测漏法是近几年山东科技大学发明的“钻孔双端封堵测漏装置” 专利技术p 1 。 井下仰孔分段注水观测系统由孔内封堵器、连接管路和孔外测量仪表三部分构 成。孔内封堵器是一个带有双端封堵胶囊的注水探管，用于对所测试孔段两端进行 密封：孔外测试仪表主要包括流量表、压力表和相应的阀门，用以控制封孔压力和 注水压力及注水流量大小，孔外仪表和孔内封堵器间通过耐压管路连接p 1 。 并下仰孔分段注水观测，一般是在工作面周围巷道中，向采空区上方打仰斜钻 孔，钻孔打入并穿过导水断裂带，把双端封堵器装入钻孔，双端封堵器的胶囊平时 呈现圆管状态，可在钻孔内自由移动，当通过管路给胶囊充以一定压力的水或气 时，胶囊即刻迅速膨胀，将封堵器所在孔段两端严密封堵，然后通过注水管路从探 管中部向封堵孔段注水。如果封堵的岩层有裂隙，则注入孔段的水将从裂隙漏失， 通过孔外流量测试仪表，可以测出规定注水压力下每米孔段、每分钟时间内的漏失 量。漏失量大小反映了封堵段裂隙的发育程度。如果封堵段没有裂隙，注水漏失量 很小，甚至为零。孔内封堵器、封堵段的长度设计为1m 长，每测定完一个1m 长 度的孔段后，将封堵器的胶囊卸压，胶囊收缩复原，便可将封堵器移到下一个测 段，继续进行封孔注水观测，直到测出整个钻孔各段的漏失量，即可根据各段注水 漏失量的变化情况来确定导水裂隙带高度，以此探测确定覆岩破坏规律一j 。 ( 3 ) 钻孔电视法 j c d 2 型井下彩色电视系统是用于钻孔内部成像的观测系统。该系统包括井下摄 像探头、系统控制器、专用电视电缆、绞车、录像机和彩色监视器等6 部分。彩色钻 孔电视系统是把自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面的彩色监视器上 可直接观测地下钻孔的地质构造。根据图像的形态、颜色及光亮等信息，可用于识 别岩性、裂隙、空洞、软弱夹层等情况，并可用录像磁带保存测井资料【o j 。 j c d 2 钻孔彩色电视系统可直接观测钻孔壁的裂缝形态和规律，为研究覆岩破 坏程度提供了可靠依据，同时为离层发育高度及位置的观测提供了方法“】。 ( 4 ) 弹性波测井方法 在地面以重锤或炸药作为震源，弹性波经地层传播到井中，被井中检波器接 收，并记录弹性波从激发点到达检波器的时间，根据此时间值和检波器的位置，即 可计算出岩层波速变化的情况。研究表明，岩层的裂缝隙发育程度会影响弹性波在 岩层中的传播速度，一般情况下，岩层产生裂隙、致密度降低，波速随之降低。同 第1 章绪论 样，岩层的风化也会影响弹性波在岩层中的传播速度。因此，可以通过测量岩层波 速变化，来确定因采动引起的岩层裂隙发育情况坶j 。 ( 5 ) 孔间震波c t 方法 利用两个平行的巷道或者两个相交的巷道可以确定一个面，在其中一条巷道放 炮，在另一条巷道用传感器接收地震波：因为地下介质的裂隙发育特征和波速分布 特征及衰减特征具有对应关系，所以我们可以用波速重建的办法及衰减系数重建的 办法来反映地下的地质结构特征。 ( 6 ) 瞬变电磁法 瞬变电磁法( t r a i l s i e n te 1 e c t r o m a g n e t i cm e t l o d ，简称t e m 法) ，是利用大功率的 发射装置向铺设在地面的大矩形线圈( 或称发射框) 发送双极性矩形大电流，在电流 开启和关断时，由于电磁感应作用产生电压脉冲，电压脉冲的衰减产生感应磁场f 即 一次磁场) 。一次磁场随着时间的推移向地下传播并衰减，在地下介质中感应生成涡 流，地下介质中涡流的变化又生成二次磁场。电磁场在地下传播的速度以及幅度的 衰减程度与地下介质的电阻率( 或电导率) 及深度等参数有关。在电源关断的时间间 隔内，通过设置在地表各测点处的分量磁场传感器和数据记录器观测随时间变化的 二次磁场，可探测得到地下介质电性和结构的丰富信息。对每个测点观测的磁场或 导出的视电阻率资料、视纵向电导率等进行反演、解释，即可得到地下介质的分层 结构【9 】。 ( 7 ) 电导率成像系统 e h 一4 电导率成像系统探测地层构造和覆岩破坏形态【7 j 。 e h - 4 是美国著名的g e o n l e t r i c s 公司和e mi 公司联合研制的双源型电磁地震系 统。仪器设计精巧、坚实，特别适合地面2 d 、3 d 连续张量式电导率测量，在技术上 率先突破传统单点测量壁垒，走向电磁测量拟地震化、联合2 d 、3 d 连续观测和资料 解释。e h - 4 是全新概念的电导率张量测量仪，该系统依靠其先进的电磁数据自动 采集和处理技术，将c s a m t 和m ，r 方法结合在一起，实现了天然信号源与人工信号 源的采集和处理，而且2 种数据互相补充，能对采空区位置、两带高度分布、断层及 构造、陷落柱等的探测中发挥作用。 应用e h 一4 电导率成像系统探测覆岩破坏高度，具有观测范围大，探测简单， 经济快捷的特点，适用于探测地层构造、含水层分布和覆岩破坏特征。该系统探测 深度达到lo o om ，由于受物理探测自身精度的限制，缺少详细及精确的描述，须与 地面“两带”钻孔进行对比分析。 安徽理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 电阻率法 覆岩破坏引起稳态电场特征发生变化，其主要变化的电性参数是电阻率。煤层 开采后，引起上覆岩层出现裂隙和离层，从而引起电阻率在原来的基础上变大，利 用二维有限单元法重建覆岩破坏前后电阻率分布，通过对比分析煤层开采前后覆岩 电阻率的变化，对覆岩破坏后产生裂隙带和冒落带的位置进行动态监测。 1 4 目前存在的问题 虽然目前有多种研究覆岩破坏形态的方法，有数值模拟方法、物理模型方法和 原位测试方法，但是最有说服力的只能是原位测试方法；而且不同的原位测试方法 具有不同的探测前提和探测要求，在探测效果、费时费力、直观性等方面存在着较 大的差别，这方面的研究工作还需要做进一步的研究，如何达到既经济、快速，又 持续可靠地获取覆岩破坏的形态，仍然是我们的目标。 1 5 本文的主要研究内容及技术路线 1 5 1 研究的主要内容： 本文属于工程应用性研究，主要内容为本实验室研制开发的地震仪器和电法 仪器在煤层开采覆岩破坏形态研究中的应用情况，通过综合物理探测技术在两个煤 矿( 淮南新集二矿和河南义马新安煤矿) 上的应用，来评价地球物理探测技术应用 于煤层覆岩破坏规律研究的精确性、可靠性和实用性。 1 5 2 研究的技术路线： 首先是大量参阅地震勘探、电法勘探和煤层开采覆岩破坏的研究成果，然后利 用本实验室专家教授开发的便携式浅层地震仪和并行网络电法仪在地面做一些模拟 实验，利用“震波自动解析系统”软件和“东华测试系统”软件分别对所获得的实 验数据进行处理，来检验硬件和软件的可靠性；在地面上的实验成功完成后，然后 把仪器放入井下去采集数据，最后把我们的探测实验结果以彩色图片的形式输出， 结合矿井的实际情况以及被研究区的岩性、结构特征、构造特征、应力特征及水文 地质条件进行分析，确定覆岩的破坏形态；同时将实验探测成果和其他方法进行对 比，找出物探方法的优点和不足，为以后的继续研究指明方向。 具体的研究路线图如下： 第1 章绪论 图1 研究技术路线图 f i g ，1r o u t ed i a g r o f 咖d y 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 煤层开采覆岩破坏机理 2 1 覆岩破坏的概念和类型 上覆岩体受采动影响以前已经历多次复杂的地质作用，产生了变形和破坏，形 成了由结构体和结构面构成的地质体。所以覆岩的破坏实质上是已破坏过的岩体的 再次破坏。 采动覆岩的破坏是由应力重分布和岩体性质决定的，但它又影响着应力的传 递、释放、再分布和岩体性质的变化。 根据实际观测，采动岩体的破坏类型有冒落、离层、层间错动、剪切破坏和塑 性变形、岩爆、煤爆、底鼓和片帮等。以上破坏形式可归纳为四种破坏类型，即张 拉破坏、剪切破坏、挤压破坏和弯扭破坏。 这些破坏形态的出现是由岩体结构特征、物理力学性质、覆岩的地质环境和采 动影响共同决定的。 2 2 采动覆岩破坏在形态上的演变规律 工作面煤层被采出后，在采空区形成较大的空间，岩层原有的力学平衡系统被 破坏，由此引起载荷的重新分配，直至达到新的平衡。这是一个十分复杂的物理、 力学变化过程，是岩层产生移动和破坏的过程，通常又把这一过程和现象称为岩层 移动。 岩层的移动是从直接顶开始，从下向上而扩展。由于岩层具有碎胀性，基本项 和所有覆盖层的下沉量一般都比煤层的开采高度要小。 离层是固结性层状岩石覆盖层共同变形和破坏的最有特征性的特点之一，也是 最重要的规律之一。 通常，在基本顶初次垮落时，部分覆盖层也发生垮落。其余部分的覆盖层，根 据其组成，在工作面继续推进时，可按一层或若干层自然分层，或单独的岩层进行 跨落。在一般条件下，顶板的冒落总是自下向上逐层发展的，当埋深不大时，这种冒 落会一直发展到地表【1 0 1 。 沿采空区的全部周边，将形成支承压力。这个支承压力在从上向下的方向上， 将按岩层或自然分层，一层一层地向下传递，一直传到被开采的煤层上，并最终传 递到煤层底板岩石中。开采后煤层周边的支撑压力将引起采空区周边发生变形。 - 8 - 3 地震探测技术 在稳定运动状态中，覆盖层的变形和破坏同样从下向上而扩展。首先，直接顶 发生破坏；而后，由于回采推进i 经过若干个直接顶的垮落步距，基本顶将发生顺 序垮落，同时有部分覆盖层也一起随之垮落。再过一些时间，覆盖层的其余部分可 按单独的自然分层或整个岩层，相互有一定滞后地发生垮落。支承压力可使煤壁边 缘区破坏( 被压酥) ，并可以扩展到底板岩石中相当深的深度上，此深度与很多因素 有关，可达7 0 m 或更大。在这种状态中，在直接顶中，直接顶和基本顶之间，或在覆 盖层的岩石中，同样可以发生离层。离层的位置可以用相邻岩层或岩层自然分层的 挠度差别来确定。 当工作面和一翼的长度很长时，覆盖层的岩石破坏过程可以发展到地表。当工 作面长度不太长时，破坏可能达不到地表。破坏发展到有足够大的厚度和强度的岩 层处，能够阻止所形成的悬露面积和载荷所引起的破坏时，便停止发展。从这一层 开始向上，岩体将产生弯曲变形。 已断裂岩层和未断裂岩层之间存在有明显的分界面，这些分界面在横剖面中并 不是平面。这些单独自然分层的破断角或垮落角在4 5 ”8 0 0 的范围内波动。 2 3 覆岩破坏的关键层理论 由于成岩时间及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩 层，其中一层至数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用，将对岩体活动全部 或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特 征，即在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致 的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。也就是说，关键层的断裂 将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动，覆岩中的亚关键层可能不止一 层，而主关键层只有一层i j “。 9 安徽理工大学硕士学位论文 模拟与实测研究表明，关键层运动对离层的产生、发展与时空分布起控制作 用。 ( 1 ) 沿工作面推进方向，关 键层下离层动态分布呈现两阶段 发展规律：即关键层初次破断 前，随着工作面推进，离层量不 断增大，最大离层位于采空区中 部。关键层初次破断后，关键层 在采空区中部离层趋于压实，而 在采空区两侧仍各自保持一个离 层区。工作面侧的离层区是随着 工作面开采而不断前移的，工作 面侧离层区最大宽度及高度仅为 关键层初次破断前的l 4 1 3 左 右。从平面上看，采空区四周形 成横向连通的“o ”离层区。 ( 2 ) 沿顶板高度方向，随着 工作面推进，离层呈跳跃式由下 向上发展。首先，第一亚关键层 下出现离层，当其破断后其下离 层呈“0 ”形圈分布：此时，上部 第二亚关键层下出现离层，当其 破断后其下离层呈“o ”形圈分 布，如此发展直至主关键层【12 1 。 t _ ，甏荛t 雇t 誓 ( b 熏燕t 扁鞠l 精 ( e ) 事燕糠瓣纛 图2覆岩离层动态过程示意酬1 2 】 f i g 2d ”m i cp r o c e s so f o v e r l y i n gs 胁s e p 删n g m o v e m e n t 当工作面停采并经过一段时间后，上覆岩层将趋于稳定。一般情况下，此时可 按岩层的破坏和变形持征。将上覆岩层划分为冒落带、导水裂隙带和塑性弯曲变形 带。 2 3 1 冒落带 是指用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生 破坏的范围。冒落带内岩层破坏的特点是不规则性、碎胀性和可压缩性。 一1 0 3 地震探测技术 2 3 1 1 冒落带高度计算 冒落带高度取决于煤层顶板的岩石性质。岩石力学强度越低，冒落带高度就越 小：岩石坚硬、力学强度高、碎胀系数小，冒落带高度就越大。确定冒落带高度常 用计算法和经验法 13 1 。 ( 1 ) 计算法。在缓倾斜煤层条件下，冒落带高度可用下式计算： 巩= 赤 式中 日。冒落带高度，m ； m 煤层开采厚度。m ； k 顶板岩石的碎胀系数，通常取1 _ 2 ； 口煤层倾角。 ( 2 ) 经验法。按“三下”采煤规程估算垮落带商度可按2 种情况考虑： 冒落带在未风化岩层中发育( 采深较大时) ，按坚硬顶板类型考虑，冒落带高 度h 计算公式为 日。：竺擎i + 2 5 ( 2 ) 日m2 五蒜+ 2 5 ( 2 式中 m 累计采厚，单位m 。 冒落带在风化岩层中发育( 采深较小时) ，按中硬顶板类型考虑，冒落带高度h 计算式为 以：翼孥冬+ 2 2 ( 3 ) 日m2 历蒜+ 2 2 ( 3 ) 式中 m 累计采厚，单位m 。 由此可见，单一煤层覆岩垮落带的最大高度与采厚成线性函数关系，同时也受 岩石碎胀系数的影响。但是，现场观测资料表明，除极坚硬的顶板岩层外，在覆岩 冒落的发生、发展过程中，上覆岩层一般会不断地发生下沉，这就等于缩小了开采 空间，减少了填满开采空间所需要的冒落岩块体积，从而导致冒落高度的降低。覆 岩强度愈低，岩体稳定性愈差，这种下沉现象愈明显，开采空间被缩小和冒落带高 度被降低的程度也愈明显。因此，在多数情况下，各类覆岩的冒落带最大高度应表 示为 室塑望王盔堂堡主堂垡笙苎一 耻等 式中跏垮顶前因覆岩下沉而缩小的开采空间高度，m 。 ( 4 ) 2 3 2 导水裂隙带 在垮落带的上方是导永断裂带，位于垮落带和弯曲带之间。靠近垮落带的岩层， 断裂严重；远离垮落带的岩层，断裂轻微；除了垂直或近于垂直层面的裂缝外，还 产生顺层面脱开的离层裂缝。 垮落带与裂隙带合称为两带，在解决水体下采煤时，称两带的总体高度为导水 裂缝带高度。两带之间没有明显的分界限，均属于破坏性影响区。一般情况下，上 覆岩层离采空区距离越大，破坏程度越小。 2 3 2 1 导水裂f 浆带高度计算 中硬顶板导水断裂带发育高度经验公式计算，即 l o o y m 。而式寿丽“6 式中h ，。导水断裂带高度，单位m 。 煤矿安全规程使用以下计算公式【1 4 ： = 摆象捌 式中 f k 导水裂隙带高度； 吖煤层累计厚度； ”煤分层层数。 2 3 2 2 导水裂缝带范围的形态 ( 5 ) ( 6 ) 导水裂缝带范围的形态，在走向及倾向剖面上均为马鞍形。这种形态表明，裂 隙带岩层在支承边界上方部位承受负弯矩，使岩层上表面产生张性断裂；在跨中的 破断裂缝因岩层弯曲下沉面受挤压产生闭合。在整体上表现为板的弯曲效应。 - 1 2 - 3 地震探测技术 图3 水平煤层覆岩垮落带导水裂缝带分布示意图1 5 l f i g 3d i s 订i b u n o no f c o l l a p s eb e l ta l l dc r a n n yb e l to v e r h o l l o wz o n e 2 4 采动覆岩破坏在应力上的演变规律 在建筑工程构件中，对钢筋混凝土双向板进行了充分的试验研究，这种研究结 果对分析回采工作面顶板岩层的破断形式及破断机理是非常重要的【”j 。 四边简支的正方形板与矩形板在均布载荷作用下的试验表明，在裂缝出现之 前，板基本上处于弹性工作阶段，板的四角有翘起趋势。 在正方形板的试验中，可以看到；当荷载逐渐增大时，板底对角线方向上出现 第一批裂缝，随着荷载不断增大，裂缝宽度也不断扩大，并向两个正交的对角线方 向发展。当钢筋应力达到屈服点后，裂缝宽度显著扩大。即将破坏时，板的顶面靠 近四角处，出现垂直于对角线方向的裂缝，大体上呈环状，这种裂缝的出现促使板 底裂缝进一步展开，此后，板即破坏。正方形板底裂缝分布如图a 所示。 试验表明，沿板长方向配筋的板，其抗裂度较沿对角线方向相同配筋率的板为 高：至于最终的破坏荷载，两者基本上相同。 试验还表明，钢筋的布设由两边向中间逐渐加密，比之同等数量而均匀布置的 更为有效。 在矩形板的试验中，可以看到，在均布荷载作用下，第一批裂缝出现在板底中 部，平行于长边方向。随着荷载的不断增大，裂缝不断展开，并逐渐伸向板的四 角，这时裂缝与板边大体上呈4 5 0 的夹角。即将破坏时，板顶角区也产生环状裂 缝，矩形板底和板顶裂缝分布如图b 、c 所示。 安徽理工大学硕士学位论文 图4 板的破断线形迹 f i g 4 c r a c k t r a c e o f t h e b o 埘 在实际计算中，可按受均布载荷作用的两端固定支撑梁来考虑，其极限跨距为 ，。= 矗 式中 f 0 直接顶初次垮落时极限跨距； 矗直接顶计算( 承载岩层) 厚度； g 直接顶均布载荷； 盯顶板岩层试件抗拉强度； 足直接顶岩层抗拉强度系数。 2 4 1 初次来压 长壁工作面基本顶岩层初次断裂对工作面支架产生的作用现象称为基本顶初次 来压。 基本顶岩层尚未破断时，基本顶及其上覆岩层由四周煤壁支撑，顶板下沉量主 要表现为悬板的弹性变形；基本顶初次破断前，煤壁内的支承压力会达到最大，在 此强大的支承压力作用下，可以使直接顶及煤壁形成剪切破断裂隙。当基本顶悬露 达到极限跨距时，基本顶破断，同时破断块体相对回转。基本顶初次( 破断) 来压 时，在工作面支架上产生的载荷通常称之为顶板初次来压强度，并用k p 。或k n m ( 工作面采长方向的每延米载荷) 表示。据大量实测资料统计，我国现有的生产工作 面中，初次来压步距为1 0 、3 0 m 的约占5 4 ，3 0 5 5 m 约占3 7 5 ，其余为大于5 5 m 的情况，有的可达到1 6 0 m 左右。 1 4 一 莩 3 地震探测技术 基本项从初次断裂到初次垮落是一个比较短暂的持续过程，各破断块体迅速发 生回转和下沉，并在原跨中l 。2 的附近首先触地，基本顶初次垮落完成。 老顶断裂前后在煤壁前方将引起扰动，即在梁被夹持的端部形成了反弹区，而 再深入一定的距离则形成了压缩区，老顶断裂位置在煤体之内；因此由老顶断裂到 工作面来压存在时间差，利用此时间差即可对老顶来压进行预报。老项岩层板破断 时主裂隙呈o _ x 型，即先是庸边破断呈o 型断裂，而后是x 型板内部呈x 型破断【1 6 j 。 2 。4 。2 周期来压 基本顶初次垮落标志着其初始运动完成和稳定运动的开始。在基本顶的稳定运 动过程中，周期来压是其最突出的矿压持征。与初次来压一样，把来压时在工作面 支架上产生的载荷称之为顶板周期来压强度。 基本项稳定运动过程中的力学模型如图所示。其结构的基本形式仍然是从拥有 三个铰的平衡结构，过渡到拥有四个铰的可变结构，采空区后方块体触地，形成新 的三铰拱平衡体系，并进入下一个周期。这种变化呈现出周而复始的周期运动过 程。 图5 基本顶周期来压力学模型【1 5 f i g 5m e c h 锄i c sm o d e lo f p r i m a r ys 订a t a 研究覆岩的破坏和失稳一般都是基于岩梁( 板) 的几何和力学参数，在具体的力 学环境下进行分析，这种研究已取得重大进展，在我国形成了“砌体梁”理论、“传 递岩梁”理论和关键层理论等【17 1 ，这些理论对覆岩破坏机理的解释基本上是一致 的。 1 5 t。蚓j。十掰斗叫1 安徽理工大学硕士学位论文 3 地震探测技术 3 1 地震层析技术 地震层析成像( s e i s m i ct o m o g r a p h y ) 是通过对观测到的地震波各种震相的运动 学( 走时、射线路径) 和动力学( 波形、振幅、相位、频率) 资料的分析，进行反 演由大量射线覆盖的地下介质的速度分布和弹性参数等重要信息的一种地球物理方 法【1 8 】。 2 0 世纪6 0 年代初期，美国科学家c o n n a c k 从数学和实验结果证实了根据x 射线的投影可以唯一地确定人体内部结构，从而奠定了医学诊断上图像重建的理论 基础，即x 射线c t ( xr 丑yc o m p u t e rt q m o g r a p h y ) 。6 0 年代中期到7 0 年代中 期，c h 踟a j l 首先从理论上证明了地震学中的t p 变换即是r n d o n 变换 ( c h a p m a n ，1 9 8 1 ) 。此后，地震层析成像成为地球物理学研究的一个新领域。 地震波在均匀介质中，是从激发点以球面发射的形式向外传播，其射线为直线。 当遇到地质异常体时，波振面发生畸变，随之与其正交的射线也改变了方向。依据 费马原理、( f e 姗a tm e o r y ) ，地震波从激发点到接收点是以一条最短走时路径传播 的。在地震层析成像反演过程中，这种最小走时路径是采用数学物理方法进行弯曲 射线追踪实现的。首先将被测区域划分成规则的矩形网格，并在各成像单元周边设 若干结点，连接所有结点，便在成像区域内形成一系列脉络，然后通过最小走时追 踪方法来重建二维波场分布。一 广义上的地震层析成像从不同的角度可以进行不同的分类【唧。 ( 1 ) 根据地震勘探中的布局方式，分为地表反射( 或折射) 层析成像、井间层 析成像、v s p 层析成像和反向v s p 层析成像； ( 2 ) 根据所利用的数据类型分为反射层析、透射层析和折射层析： ( 3 ) 根据所利用的地震剖面上的属性的不同可分为走时层析、振幅层析和波 形层析； ( 4 ) 根据层析成像方法所利用的理论基础，基本可以分为以射线理论为基础 的射线层析和以波动理论为基础的绕射层析。 与绕射层析相比，井间射线层析发展较早，方法相对成熟，因而井间射线层析 在地球物理层析领域占据主导地位。 - 1 6 3 地震探测技术 3 1 1 地震e t 数据采集系统 地震数据采集系统包括三部分，即震源、检波器和数据采集器。震源是地震的 关键设备。震源的质量直接与所获得地震波形记录的质量有关，还与旌工效率和成 本有关。震源能量越大，地震波的传播距离就越大；震源频率越高，则层析图像的 分辨率就越耐“j 。 井中震源分为两大类：脉冲型震源和可控震源。实际工程中常采用脉冲型震 源。主要用小药量炸药配合电雷管爆炸震源和人工锤击震源。人工锤击震源安全可 靠，但能量有限，适合1 0 0 米以内的井间透射；采用爆炸震源有一些副作用，如对 井壁易产生破坏作用，防突问题、管波干扰等；但实践证明，在大距离强干扰的地 震c t 观测中，爆炸震源仍然是提高信噪比的有效激发方式。 井中检波器一般采用6 0 赫兹和1 0 0 赫兹高频地震检波器以及压电陶瓷型检波 器。一个排列一般为1 2 个或2 4 个接收器组成，根据具体情况确定。 数据采集器在本质上是一台记录电压信号的单片机。当震源信号启动时，数据 采集器根据设定的参数，开始按时间序列对检波器震动产生的模拟电压信号进行信 号放大、a d 转换，并以8 位或1 6 位的二进制数值的形式存储起来；数据采集和存 储完成后，利用c o m 串口把数据输入计算机进行解编处理。 3 1 2 地震c t 数据采集的观 测系统 地震c t 的观测系统以跨 孔c t 为主，其观测系统具体 为：在平面上的一条测线上激 发地震波，在平面上的另外一 条测线上接收地震波，通过这 两条测线来控制整个观测面。 图6 震波c t 观测系统 f 塘6o b s e r v a t i o ns y s t e mo f s e i s m i cc o m p u t e r t o m o 脚h y - 1 7 - 安徽理工大学硕士学位论文 3 1 3 震波c t 的数据处理系统 地震仪器采集到的数据经过c o m 串口输入到计算机以后，首先要对该文件做 一些预处理，例如：文件拼接，坏道剔除，修改头参，零漂校正，波形移动，道间 平衡，静校正，道逆序，纠反道，高低切除，一维滤波和振幅归真等：在经过文件 预处理之后，进入关键处理部分。 地震c t 的数据处理关键部分分为三块： ( 1 ) 初至波到时的拾取；( 2 ) 初至 波的到时反演：( 3 ) 初至波的衰减反演。 3 1 3 1 地震波走时自动拾取问题 在地震层析成像的研究中，可礅得的观测数据是地震记录。 从地震记录中可以 获得地震波的走时、振幅和频率，其中最为关键的是地震波走时。随着数字地震技 术的发展，观测数据的数量迅速增加，准确地进行地震波走时的拾取越来越成为一 项重要且繁重的工作。为此，走时的自动拾取成为人们研究与关注的对象。近年 来，先后出现了相邻道互相关方法( g e l c h i n s k y ，1 9 8 3 ) 、能量比较方法 ( c o p p e n s ，1 9 8 5 ) 、改变褶积算子宽度的方法( r 锄舢a i l t o a n d m ，1 9 8 7 ) 等等。9 0 年 代之后，地震初至波走时拾取的方法有了新的进展，如基于分形理论的d i v i d e r 方 法和h u r s t 方法( b o s c h e m ，1 9 9 6 ) ，特别是中国科学家提出的基于h a u s d o r f r 分维算 法的地震波走时全自动拾取方法( c h a i l g ，1 9 9 9 ) 也取得了良好的效果。这些新方法以 分形( f r a c t a l ) 理论为依据，通过对地震记录时间序列分数维( f r a c t a ld i m e n s i o n ) 的计 算，实现了对地震波初至走时的自动拾取“。 3 1 3 2 初至波到时成像原理( 包括直达纵波到时成像和直达横波到时成像等) 地震波走时层析成像是利用地震记录中的走时信息重建岩体中波速分布情况的 一种方法。地震波速度与岩石性质之间有较稳定的相关性，而且地震走时与振幅以 及波形信息相比，具有信噪比高，各种波走时规律相同等优点，因此利用地震走时 进行波速成像具有简单、直观与通用等特点。由于地震走时层析成像方法的这些优 点，这些年来得到了