CN113093271B - 利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层ct探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，包括：确定煤层探测区域，设计地质钻孔布置方案，从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围；在地质钻孔内布置微震传感器，形成微震监测系统，对探测区域内煤岩破裂产生的微震震源进行定位监测；在探测区域附近从地面向地下施工压裂钻孔或者在探测区域附近的巷道内施工爆破钻孔，形成人工震源并进行定位监测；以人工震源和煤岩破裂产生的微震震源作为激发源，以微震传感器作为接收器，通过激发源与接收器之间形成震动波传播射线进行CT反演，根据反演结果对煤层进行探测。本发明能够在周边缺乏巷道的待探测区域布置微震传感器并实施煤层CT探测，提高了探测结果的可靠性。

Description

利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采过程中的煤层CT探测技术领域，特别涉及一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法。

背景技术

煤岩失稳可能导致煤岩动力灾害的发生。煤岩动力灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出等，易受采动作用影响且常发生在高应力集中区，其破坏性大，能造成井巷破坏、设备损坏和人员伤亡等严重后果。对煤岩动力灾害危险区域进行超前探测预警是煤矿提前采取措施、确保安全生产的前提和保障。

将波速层析成像与微震监测相结合而形成的震动波CT反演技术，通过监测煤岩破裂产生的微震震源和(或)人工震源，在震源与传感器之间形成震动波传播射线，利用走时差解算出各传播射线上的波速进而反演出探测区域的波速分布，再根据波速分布来评价煤层内潜在的地质构造区、瓦斯异常区、应力异常区等，进而识别动力灾害危险区域。该技术已在冲击地压矿井进行了大量应用，取得了良好效果，但仍然存在部分难题需要攻克。比如，影响该技术实施效果的重要因素之一是，微震传感器与震源之间的传播射线对探测区域的覆盖程度，不理想的射线覆盖得到的反演结果的可靠性较低，而传播射线对探测区域的覆盖程度依赖于微震传感器和震源的相对空间位置，这就导致在探测区域周边缺乏微震震源或者缺乏巷道来合理布置微震传感器和实施人工震源的情况下该技术难以实施或无法实施，这导致该技术在瓦斯矿井掘进巷道突出危险性探测预警方面难以推广应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，能够在周边缺乏巷道的区域布置微震传感器并实施煤层CT探测。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，包括以下步骤：

确定煤层探测区域，设计地质钻孔布置方案，从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围；

在地质钻孔内布置微震传感器，将微震传感器通过线路连接形成微震监测系统，对探测区域内煤岩破裂产生的微震震源进行定位监测；

在探测区域附近从地面向地下施工压裂钻孔进行水力压裂或者在探测区域附近的巷道内施工爆破钻孔进行装药爆破，形成人工震源并由微震监测系统进行定位监测；

以人工震源和煤岩破裂产生的微震震源作为激发源，以微震传感器作为接收器，通过激发源与接收器之间形成震动波传播射线进行CT反演，根据反演结果来探测煤层的地质构造区、瓦斯异常区、应力异常区。

优选地，所述设计地质钻孔布置方案包括：

地质钻孔布置在探测区域的外围，呈矩形布置并将探测区域包围；

根据探测区域的大小布置地质钻孔数量，每个探测区域的最少钻孔数量不少于4个，每4个呈矩形布置的地质钻孔的两两水平间距不大于所述微震传感器可感知的震动波传播距离；

所述从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围需满足：地质钻孔孔径取75mm-168mm，地质钻孔垂直施工且施工深度应达到煤层上下方50m范围以内。

优选地，所述在地质钻孔内布置微震传感器包括：

B1，在地面上将微震传感器安装在锚杆上并将微震传感器通过铠装电缆与信号采集站和信号记录仪相连接，做通电测试，保证信号采集站和信号记录仪能够接收信号，若测试完好，则进行下一步，否则，查明原因并测试完好后再进行下一步；

B2，在地面上将微震传感器、锚杆端部及微震传感器与电缆的连接处使用套筒封装并用水胶密封以隔绝水气；

B3，在微震传感器供电状态下利用铠装电缆悬吊微震传感器的方式将微震传感器缓慢送入地质钻孔底部，期间实时观察信号记录仪，若这期间信号记录仪一直有信号，则进行下一步，若这期间出现信号记录仪失去信号，则停止推送微震传感器并将微震传感器从钻孔内拉出，查明原因，保证微震传感器送入地质钻孔底部的整个过程中信号记录仪有信号，然后进行下一步；

B4，当微震传感器被送入钻孔底部后，从钻孔孔口对整个钻孔浇筑水泥，使锚杆及微震传感器与地质钻孔嵌入耦合，保证微震传感器能够采集到震动波信号；

B5，重复步骤B1至步骤B4，将其他地质钻孔的微震传感器安装到位。

优选地，在所述安装过程中，对铠装电缆加装PVC套管进行保护；所述锚杆的螺距与微震传感器的螺纹螺距吻合，锚杆长度为1000mm；所述套筒为空心圆柱状，使用定制钢管制作，内径比微震传感器直径大10～15mm、外径比地质钻孔直径小25～30mm，套筒长度比微震传感器长度大25～30mm。

优选地，所述在地质钻孔内布置微震传感器还包括：

微震传感器布置在煤层上下方50m范围以内；

同一地质钻孔内布置1～2个微震传感器；

在探测区域范围内，于地面上布置1～2个微震传感器，在探测区域附近布置至少6～8个微震传感器，以便形成对探测区域的有效包围。

优选地，所述同一地质钻孔内布置1～2个微震传感器包括：

若同一地质钻孔内布置2个微震传感器，则2个微震传感器分别布置在煤层的下方和煤层的上方，且首先将布置在煤层下方的微震传感器安装到位，然后再将布置在煤层上方的微震传感器安装到位；

在将煤层下方的微震传感器安装到位的步骤中，水泥浇筑的高度等于煤层上方的微震传感器的安装深度，待煤层上方的微震传感器安装完成后，再将整个钻孔全部浇筑水泥。

优选地，所述于地面上布置1～2个微震传感器包括：

微震传感器垂直进行安装，垂直安装偏离度小于10°；

在地面上开挖凹槽，将锚杆垂直置于凹槽中央，然后向凹槽内浇筑水泥，待水泥凝固后，将微震传感器安装在锚杆端部；

锚杆的螺距与微震传感器的螺纹螺距吻合。

优选地，所述压裂钻孔和爆破钻孔符合以下要求：由压裂钻孔和爆破钻孔产生的人工震源与微震传感器之间形成的震动波传播射线覆盖探测区域。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明方法能够在周边缺乏巷道的待探测区域布置微震传感器并实施煤层CT探测，提高探测区域探测结果的可靠性，有利于将微震监测技术和煤层CT探测技术在瓦斯矿井掘进巷道突出危险性探测预警方面推广应用，有助于对煤岩动力灾害危险区域进行超前探测预警，进而帮助煤矿提前采取措施、确保安全生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的待探测区域的示意图；

图3是本发明实施例提供的在探测区域周边布置地质钻孔、微震传感器、压裂钻孔的平面示意图；

图4是本发明实施例提供的在探测区域周边布置地质钻孔、微震传感器、压裂钻孔的剖面示意图；

图5是本发明实施例提供的在地质钻孔内布置微震传感器的示意图；

图6是本发明实施例提供的在探测区域地面上布置微震传感器的示意图；

图7是本发明实施例提供的在巷道内布置爆破钻孔产生人工震源及人工震源与微震传感器之间形成震动波传播射线示意图；

图8是本发明实施例提供的煤层CT探测结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的实施例提供了一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S101，确定煤层探测区域，设计地质钻孔布置方案，从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围；

S102，在地质钻孔内布置微震传感器，将微震传感器通过线路连接形成微震监测系统，对探测区域内煤岩破裂产生的微震震源进行定位监测；

S103，在探测区域附近从地面向地下施工压裂钻孔进行水力压裂或者在探测区域附近的巷道内施工爆破钻孔进行装药爆破，形成人工震源并由微震监测系统进行定位监测；

S104，以人工震源和煤岩破裂产生的微震震源作为激发源，以微震传感器作为接受器，通过激发源与接收器之间形成震动波传播射线进行CT反演，根据反演结果来探测煤层的地质构造区、瓦斯异常区、应力异常区等。

本发明实施例提供的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，能够在周边缺乏巷道的待探测区域布置微震传感器并实施煤层CT探测，提高探测区域探测结果的可靠性，有利于将微震监测技术和煤层CT探测技术在瓦斯矿井掘进巷道突出危险性探测预警方面推广应用，有助于对煤岩动力灾害危险区域进行超前探测预警，进而帮助煤矿提前采取措施、确保安全生产。

本实施例中，步骤S101中所述的设计地质钻孔布置方案包括：地质钻孔优选布置在探测区域的外围，呈矩形布置并将探测区域包围；根据探测区域的大小来布置地质钻孔数量，每个探测区域的最少钻孔数量不少于4个，每4个呈矩形布置的地质钻孔的两两水平间距不大于所述微震传感器可感知的震动波传播距离；所述的从地面向地下施工地质钻孔需满足：地质钻孔孔径一般取75mm-168mm，地质钻孔垂直施工且施工深度应达到煤层上下方50m范围以内。

本实施例中，S102中的在地质钻孔内布置微震传感器包括：

B1，在地面上将微震传感器安装在锚杆上并将微震传感器通过铠装电缆与信号采集站和信号记录仪相连接，做通电测试，保证信号采集站和信号记录仪能有效接收信号，若测试完好，则进行下一步，否则，需查明原因并测试完好后再进行下一步；

其中，所述的锚杆的螺距需与微震传感器的螺纹螺距吻合，锚杆长度一般为1000mm；

B2，在地面上将微震传感器、锚杆端部及微震传感器与电缆的连接处使用套筒封装并用水胶密封以便有效隔绝水气；

其中，所述的套筒为空心圆柱状，可使用定制的钢管，内径一般大于微震传感器直径10～15mm、外径一般小于地质钻孔直径25～30mm，长度一般大于微震传感器长度25～30mm；

B3，在微震传感器供电状态下利用铠装电缆悬吊微震传感器的方式将微震传感器缓慢送入地质钻孔底部，期间随时观察信号记录仪，若这期间信号记录仪一直有信号，则进行下一步，若这期间出现信号记录仪失去信号，则停止推送微震传感器并将微震传感器从钻孔内拉出，查明原因，保证微震传感器送入地质钻孔底部的整个过程中信号记录仪有信号，然后进行下一步；

B4，当微震传感器被可靠的送入钻孔底部后，从钻孔孔口对整个钻孔浇筑水泥，使锚杆及微震传感器与地质钻孔有效嵌入耦合，保证微震传感器能可靠的采集到震动波信号；

B5，重复步骤B1至步骤B4将其他地质钻孔的微震传感器安装到位。

本实施例中，作为一可选实施例，在地质钻孔内安装微震传感器的步骤中，还可对铠装电缆加装PVC套管来进一步保护电缆。

本实施例中，作为一可选实施例，所述在地质钻孔内布置微震传感器还包括：微震传感器一般布置在煤层上下方50m范围以内；同一地质钻孔内可布置1～2个微震传感器；还可在探测区域范围内于地面上布置1～2个微震传感器，在探测区域附近共需布置至少6～8个微震传感器，以便形成对探测区域的有效包围。

本实施例中，作为一可选实施例，若同一地质钻孔内布置2个微震传感器，则这2个微震传感器应分别布置在煤层的下方和煤层的上方，且应该首先按照所述步骤B1至步骤B4将布置在煤层下方的微震传感器安装到位，然后再按照所述步骤B1至步骤B4将布置在煤层上方的微震传感器安装到位；

其中，在上述的煤层下方的微震传感器的安装步骤B4中，水泥浇筑的高度等于煤层上方的微震传感器的安装深度，待煤层上方的微震传感器安装完成后，再将整个钻孔全部浇筑水泥。

本实施例中，作为一可选实施例，若在探测区域范围内于地面上布置1～2个微震传感器，则微震传感器须垂直进行安装，垂直安装偏离度应小于10°；可在地面上开挖凹槽，将锚杆垂直置于凹槽中央，然后向凹槽内浇筑水泥，待水泥凝固稳定后，将微震传感器安装在锚杆端部；

其中，锚杆的螺距需与微震传感器的螺纹螺距吻合。

本实施例中，S103中所述的压裂钻孔和爆破钻孔的选择需符合要求为，由压裂钻孔和爆破钻孔产生的人工震源与微震传感器之间形成的震动波传播射线应尽可能的覆盖探测区域。

以下结合具体的应用场景，对本实施例提供的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法作进一步说明：

本实施例中，如图2所示，需要对井工煤矿区域A进行煤层CT探测，区域A附近因缺少可以用于布置微震传感器的巷道而无法进行常规CT探测，因此，需要采用本发明提出的一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，具体步骤如下：

(1)确定区域A的范围为600m×1600m；在区域A周边外围呈矩形方式布置4个地质钻孔(K1、K2、K3、K4)，4个地质钻孔组成的矩形的两边长分别为1600m和600m，任意两个地质钻孔的水平间距都小于采用的微震传感器可感知的震动波传播距离为2000m；在区域A几何中心再布置1个地质钻孔(K5)，共计布置5个地质钻孔；然后根据所述的地质钻孔布置方案从地面向地下垂直施工地质钻孔将探测区域包围；

本实施例中，地质钻孔孔径取91mm，地质钻孔施工深度分别为K1、K2、K3、K5至煤层下方50m，K4至煤层上方50m，如图3和图4所示。

(2)根据以下步骤在地质钻孔内布置微震传感器：

B1，在地面上将微震传感器安装在锚杆上并将微震传感器通过铠装电缆与信号采集站和信号记录仪相连接，做通电测试，保证信号采集站和信号记录仪能有效接收信号，若测试完好，则进行下一步，否则，需查明原因并测试完好后再进行下一步；

B2，在地面上将微震传感器、锚杆端部及微震传感器与电缆的连接处使用套筒封装并用水胶密封以便有效隔绝水气；

B3，在微震传感器供电状态下利用铠装电缆悬吊微震传感器的方式将微震传感器缓慢送入地质钻孔底部，期间随时观察信号记录仪，若这期间信号记录仪一直有信号，则进行下一步，若这期间出现信号记录仪失去信号，则停止推送微震传感器并将微震传感器从钻孔内拉出，查明原因，保证微震传感器送入地质钻孔底部的整个过程中信号记录仪有信号，然后进行下一步；

B4，当微震传感器被可靠的送入钻孔底部后，从钻孔孔口对整个钻孔浇筑水泥，使锚杆及微震传感器与地质钻孔有效嵌入耦合，保证微震传感器能可靠的采集到震动波信号；

B5，重复步骤B1至步骤B4将其他地质钻孔的微震传感器安装到位；

本实施例中，所采用的微震传感器尺寸为高125mm、直径41mm；所述的锚杆螺距与微震传感器的螺纹螺距吻合，都是20mm，锚杆长度为1000mm；所述的套筒为空心圆柱状，使用定制的钢管，套筒的内径为55mm，外径为65mm，长度为155mm；

本实施例中，共计在探测区域A周边布置8个微震传感器，如图3和图4所示，具体为：在地质钻孔K2、K4、K5内各布置一个微震传感器，分别为S3、S6、S7，在地质钻孔K1内布置两个微震传感器S1、S2，在地质钻孔K3内布置两个微震传感器S4、S5，在地质钻孔K5孔口附近的地面上布置一个微震传感器S8；

本实施例中，微震传感器S1、S3、S4、S7布置在煤层下方50m，微震传感器S2、S5、S6布置在煤层上方50m，微震传感器S8布置在地面上；

本实施例中，按照所述步骤B1至步骤B4将S3、S6、S7安装到位，如图5所示；在地质钻孔K1内布置微震传感器S1、S2时，首先按照所述步骤B1至步骤B4将S1安装到位，此时K1内水泥浇筑的高度等于S2的安装深度，即煤层上方50m，然后再按照所述步骤B1至步骤B4将S2安装到位，此时K1内水泥浇筑高度达到地面；在地质钻孔K3内布置微震传感器S4、S5时，首先按照所述步骤B1至步骤B4将S4安装到位，此时K3内水泥浇筑的高度等于S5的安装深度，即煤层上方50m，然后再按照所述步骤B1至步骤B4将S5安装到位，此时K3内水泥浇筑高度达到地面；

本实施例中，微震传感器S8布置在地面上，S8按照垂直进行安装，垂直安装偏离度小于10°，安装方式为在地面上开挖凹槽，将锚杆垂直置于凹槽中央，然后向凹槽内浇筑水泥，待水泥凝固稳定后，将微震传感器安装在锚杆端部，如图6所示；

微震传感器布置完成后，将微震传感器通过线路连接形成微震监测系统，对探测区域内煤岩破裂产生的微震震源进行定位监测。

(3)在地质钻孔K1、K2、K3、K4形成的矩形的四边中点处从地面向地下施工压裂钻孔Y1、Y2、Y3、Y4并进行水力压裂，水力压裂范围为煤层上下方50m，产生的人工震源由微震监测系统定位监测，水力压裂产生的人工震源与微震传感器之间形成的震动波传播射线如图3所示；

本实施例中，在施工水力压裂的同时，在区域A范围内的巷道内间隔10m施工爆破钻孔并进行装药爆破，产生的人工震源由微震监测系统定位监测，爆破产生的人工震源与微震传感器之间形成的震动波传播射线如图7所示。

(4)以人工震源和煤岩破裂产生的微震震源作为激发源，以微震传感器作为接受器，通过激发源与接收器之间形成震动波传播射线进行CT反演，反演结果如图8所示，根据反演结果来探测煤层地质构造区、瓦斯异常区、应力异常区等。

综上，采用本发明实施例提供的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，在周边缺乏巷道的待探测区域布置了微震传感器并实施了煤层CT探测，提高了探测结果的可靠性，有利于将微震监测技术和煤层CT探测技术在瓦斯矿井掘进巷道突出危险性探测预警方面推广应用，有助于对煤岩动力灾害危险区域进行超前探测预警，进而帮助煤矿提前采取措施、确保安全生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定煤层探测区域，设计地质钻孔布置方案，从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围；

所述设计地质钻孔布置方案包括：

地质钻孔布置在探测区域的外围，呈矩形布置并将探测区域包围；

根据探测区域的大小布置地质钻孔数量，每个探测区域的最少钻孔数量不少于4个，每4个呈矩形布置的地质钻孔的两两水平间距不大于所述微震传感器可感知的震动波传播距离；

所述从地面向地下施工地质钻孔将探测区域包围需满足：地质钻孔孔径取75mm-168mm，地质钻孔垂直施工且施工深度应达到煤层上下方50m范围以内；

在地质钻孔内布置微震传感器，将微震传感器通过线路连接形成微震监测系统，对探测区域内煤岩破裂产生的微震震源进行定位监测；

所述在地质钻孔内布置微震传感器包括：

B1，在地面上将微震传感器安装在锚杆上并将微震传感器通过铠装电缆与信号采集站和信号记录仪相连接，做通电测试，保证信号采集站和信号记录仪能够接收信号，若测试完好，则进行下一步，否则，查明原因并测试完好后再进行下一步；

B2，在地面上将微震传感器、锚杆端部及微震传感器与电缆的连接处使用套筒封装并用水胶密封以隔绝水气；

B3，在微震传感器供电状态下利用铠装电缆悬吊微震传感器的方式将微震传感器缓慢送入地质钻孔底部，期间实时观察信号记录仪，若这期间信号记录仪一直有信号，则进行下一步，若这期间出现信号记录仪失去信号，则停止推送微震传感器并将微震传感器从钻孔内拉出，查明原因，保证微震传感器送入地质钻孔底部的整个过程中信号记录仪有信号，然后进行下一步；

B4，当微震传感器被送入钻孔底部后，从钻孔孔口对整个钻孔浇筑水泥，使锚杆及微震传感器与地质钻孔嵌入耦合，保证微震传感器能够采集到震动波信号；

B5，重复步骤B1至步骤B4，将其他地质钻孔的微震传感器安装到位；

所述在地质钻孔内布置微震传感器还包括：

微震传感器布置在煤层上下方50m范围以内；

同一地质钻孔内布置1～2个微震传感器；

在探测区域范围内，于地面上布置1～2个微震传感器，在探测区域附近布置至少6～8个微震传感器，以便形成对探测区域的有效包围；

在探测区域附近从地面向地下施工压裂钻孔进行水力压裂或者在探测区域附近的巷道内施工爆破钻孔进行装药爆破，形成人工震源并由微震监测系统进行定位监测；

所述压裂钻孔和爆破钻孔符合以下要求：由压裂钻孔和爆破钻孔产生的人工震源与微震传感器之间形成的震动波传播射线覆盖探测区域；

以人工震源和煤岩破裂产生的微震震源作为激发源，以微震传感器作为接收器，通过激发源与接收器之间形成震动波传播射线进行CT反演，根据反演结果来探测煤层的地质构造区、瓦斯异常区、应力异常区。

2.根据权利要求1所述的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，其特征在于，在所述安装过程中，对铠装电缆加装PVC套管进行保护；所述锚杆的螺距与微震传感器的螺纹螺距吻合，锚杆长度为1000mm；所述套筒为空心圆柱状，使用定制钢管制作，内径比微震传感器直径大10～15mm、外径比地质钻孔直径小25～30mm，套筒长度比微震传感器长度大25～30mm。

3.根据权利要求1所述的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，其特征在于，所述同一地质钻孔内布置1～2个微震传感器包括：

若同一地质钻孔内布置2个微震传感器，则2个微震传感器分别布置在煤层的下方和煤层的上方，且首先将布置在煤层下方的微震传感器安装到位，然后再将布置在煤层上方的微震传感器安装到位；

在将煤层下方的微震传感器安装到位的步骤中，水泥浇筑的高度等于煤层上方的微震传感器的安装深度，待煤层上方的微震传感器安装完成后，再将整个钻孔全部浇筑水泥。

4.根据权利要求1所述的利用地质钻孔布置微震传感器进行煤层CT探测的方法，其特征在于，所述于地面上布置1～2个微震传感器包括：

微震传感器垂直进行安装，垂直安装偏离度小于10°；

在地面上开挖凹槽，将锚杆垂直置于凹槽中央，然后向凹槽内浇筑水泥，待水泥凝固后，将微震传感器安装在锚杆端部；

锚杆的螺距与微震传感器的螺纹螺距吻合。

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