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“煤田地球物理精准勘探”专栏

来源：煤炭学报

专栏来自于《煤炭学报》2022年第8期，共7篇研究成果。

为了方便行业专家、学者更加系统、全面的了解专栏学术成果，《煤炭学报》编辑部于2022年9月17日了召开【煤炭学报大讲堂第24期】| “煤田地球物理精准勘探”学术研讨会。专家报告视频已经与专题中对应论文匹配，欢迎点击观看。

行业视野: 地质
类别; 31个
关键词; 44位
专家; 10篇
论文; 4102IP
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《煤炭学报》2022年第8期封面

作者(Author)：《煤炭学报》

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《煤炭学报》2022年第8期目次

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【视频报告】彭苏萍：煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备

作者(Author)：彭苏萍

摘要：点击下方图片，观看彭苏萍院士报告视频。

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基于空气耦合雷达的矿井煤岩界面随采动态探测原理及关键技术

作者(Author)：许献磊, 彭苏萍, 马正, 朱鹏桥, 王一丹

摘要：:矿井煤岩识别技术是制约煤炭智能开采的关键难题之一。受煤矿地质条件及复杂工况影响，目前诸多煤岩识别方法因其技术局限性而无法满足工业化实时、智能、高效的应用需求。在总结矿井煤岩识别技术演变历程基础上，提出煤岩识别技术已经进入到随采、自主、动态探测的新阶段，并提出了适用于智能综采工作面煤岩界面的非接触智能探测理论与技术框架，包括电磁波能量聚焦、位姿感知、支架姿态自适应调控、煤岩界面坐标转换 4 项技术内涵和聚焦发射空气耦合雷达天线、智能调节支架、煤岩界面识别与追踪技术方法、界面位置信息提取技术、系统位姿参数矩阵 5 项关键技术。系统阐释了基于空气耦合雷达天线煤岩界面随采动态探测系统的基本原理，首先，开发空气耦合屏蔽雷达天线，实现电磁波能量聚焦发射及煤岩界面的非接触式探测，天线悬空高度为 30 cm;其次，研发智能天线支架，结合支架姿态自适应调控技术，以雷达数据探测的悬空距离(天线距煤表面距离)为判别依据，实现雷达天线位姿随工作面起伏变化的自适应调节;再次，研究多干扰源下的煤岩界面识别与追踪方法，准确识别出空气-煤界面、煤-岩界面的一次有效波反射点位，获取动态高精度的煤岩界面信息;最后，创建系统位姿参数矩阵，结合煤机惯性导航单元、智能支架动态位姿参数，建立大地坐标系、采煤机坐标系和天线坐标系 3 者空间关系模型，并创建煤岩界面等高曲线，并将该信息通过网络协议传输给煤机控制系统，从而实现采煤机截割滚筒自适应调高控制。实验结果表明:应用该煤岩识别系统识别煤岩界面位置平均误差为±1.2 cm，平均误差百分比为 8.6%。实现了矿井煤岩界面随采动态探测，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

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煤矿井下全空间地震波时频域极化分析及其试验研究

作者(Author)：王勃, 曾林峰, 张衍, 刘盛东, 章俊, 陈泓云

摘要：煤矿井下全空间条件下地震波传播规律是矿井地震勘探的关键基础科学问题，矿井地震近场勘探多类型波场混叠，常规方法难以实现地震波方向的准确计算。提出了一种矿井全空间三分量地震波时频域极化分析方法，采用基本小波函数形态不固定的广义S变换将时间域信号转换成时频域信号，利用Hilbert变换构建解析信号并在每个时频点建立复协方差矩阵，求取复协方差矩阵的特征值及特征向量，进而获取三分量信号的极化方位角、极化倾角。时间域混叠合成信号的时频域极化分析实验结果表明：计算得到合成信号的时频位置与理论时频位置相对应，计算的正/负方位角、倾角与理论值无误差。在时间和频率2个维度上，时频域极化分析可以精准确定混叠情况下多类型信号的极化方向。全空间条件下中心激发-全方位接收的三维时空域高阶三分量模拟实验证实，直达纵波、横波的倾角无偏差、方位角偏差小。根据检波点位置及极化信息对中心震源进行反定位，在200 m直径范围内，根据检波点位置及地震波方位角、倾角聚焦定位的震源点与已知震源点的距离误差仅为0.548 6 m。煤矿井下实测数据计算反射槽波的时频域方位角、倾角参数与理论值一致，验证了矿井全空间三分量地震波时频域极化分析方法的有效性，该方法可为地下全空间地震勘探提供参考。

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煤层中断层的透射槽波定量响应特征

作者(Author)：王保利, 金丹, 张唤兰, 程建远

摘要：影响煤炭开采的隐蔽致灾地质因素主要包括:断层、陷落柱、煤层厚度突变以及应力集中区等。准确、定量地查明这些地质异常体，可为安全高效回采提供地质保障，这也是我国煤矿高产高效地质保障系统的核心内容。煤矿安全高效开采，迫切要求能够超前、定量查明小断层、煤层厚度变化、陷落柱、地应力集中区、瓦斯富集带、裂隙发育带等隐蔽致灾地质因素。煤矿井下槽波地震探测技术已在采煤工作面内部隐伏构造探测方面取得了良好的地质效果，但是该技术尚无法实现断层“ 三要素” ( 断距、倾角、倾向) 的定量判识和煤厚的直接测量，急需开展相关研究以攻克这一技术瓶颈难题。从数值模拟的角度，分析不同煤厚、不同断距的断层分别对 Rayleigh 透射槽波和 Love 透射槽波的频散性及能量的影响，进而研究断层断距与透射槽波能量衰减之间的定量关系。研究结果表明:1 垂直断层不会影响槽波的频散特征，只对槽波的能量有明显的影响;2 模拟显示，即便断层断距大于煤厚，仍然会有相当的槽波能量通过，特别是长波长分量;3 在槽波波长与煤厚相近时，相同规格化断距的断层对槽波的衰减量不随槽波波长变化，且 Love 槽波和 Rayleigh 槽波衰减量几乎相同;4 采用等效 Q 描述断层对槽波能量的衰减影响时，规格化断距 σ 与 Q 呈倒数关系。研究成果可为透射槽波的断层断距定量探测提供理论支持，但此成果仅仅是基于理论模拟得出的，其用于实际勘探时仍需要进一步研究，下一步将研究如何在实际数据中应用本文提出的断距定量关系式实现断层断距的定量探测。

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基于Love型槽波频散特性的工作面煤厚解释方法

作者(Author)：路拓, 侯恩科, 牛超, 任邓君, 张博

摘要：利用槽波频散特性反演煤厚是工作面煤厚解释的方法之一，然而槽波传播路径上煤厚线性或非线性变化情况下，单频或窄带滤波难以兼顾槽波群速度的变化和不同接收点的槽波能量。通过三维数值模拟和工作面现场试验研究了煤厚变化模型的 Love 型槽波频散特征:槽波形成后向厚煤区传播过程中频率变化小，能量衰减慢;而向薄煤区传播过程中槽波的能量快速衰减，主频向高频方向移动，且槽波的高频成分占比增大。厚煤区槽波的频散在频率上被压缩，随着接收点煤层厚度的减小，基阶 Love 型槽波的频散在频率上被拉伸，且埃里相的频率向高频移动，埃里相的群速度显著升高。选取了煤厚变化在 1.55 ~ 8.09 m 的工作面进行槽波勘探试验，对实际槽波地震记录开展了带宽为 50 Hz 的 4 个不同频段的宽频滤波，结果表明煤厚变化对低频段的 Love 型槽波速度影响较大，随着频率的升高，不同煤厚的槽波群速度差异减小。 120 ~ 170 Hz 频段的槽波群速度对该工作面煤层厚度有较大的响应区间，又兼顾了整个工作面槽波的发育。对该频段 Love 型槽波群速度进行了层析成像，采用三阶多项式拟合了巷道实际揭露煤厚与 Love 槽波群速度的相关关系，并以此反演了工作面的煤厚分布。在煤层厚度为 4 ~ 6 m 时，该频段 Love 型槽波群速度差异较小，对煤层厚度的分辨能力有所降低。因此，后续还需开展对槽波频段和频带宽度的精细研究来提高煤厚解释的精度。

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潘二煤矿A组煤层底板灰岩水害微震监测

作者(Author)：查华胜, 张海江, 连会青, 钱佳威, 魏廷双, 唐忠义, 梅欢, 程婷婷

摘要：采煤工作面底板突水是我国煤矿深部开采过程中面临的重要灾害问题之一，其发生与煤层地质条件和矿井生产活动相关。煤层采动过程中，会对底板产生破坏，灰岩含水层上方原始导升带在张性二次应力和承压水的共同作用下也会逐渐向上延伸，当与煤层底板破坏带形成联通时，便产生了突水。当煤层底板发生破坏时，岩体破裂会产生微地震，通过微地震的时空分布，可以确定底板破坏带的时空分布。同时，承压水向上入侵的过程中，水流可能会和周围的固体介质相互作用产生震荡信号，并以弹性波的形式向四周传播。利用微震监测系统在对潘二煤矿 A 组煤底板进行突水监测时，除了监测到大量岩体破裂产生的微地震信号，还监测到该类水流震荡信号，对应波形呈类螺钉状且持续时间超过 20 s，振幅主要在 10-5 ~ 10-4 V，频率范围为 20 ~ 40 Hz。因此，在对煤层底板下伏岩体微破裂信号进行微震定位确定煤层底板破坏带深度的基础上，进一步通过对水流震荡信号进行波形分析和定位，可以得到灰岩含水层上覆岩体裂隙扩展进水的时空分布，进而确定煤层底板破坏带和承压水导高带的空间分布及互联情况。为此，针对煤层底板灰岩水害监测预警，提出基于微震和水流震荡信号时空分布特征联合分析的新思路和方法，并在淮南矿业集团有限责任公司潘二煤矿 A 组煤底板突水监测预警中得到了较好的应用。

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