槽波地震透射法在陷落柱探测中的应用研究

李广义,焦 阳,卫金善,谭 菁,窦文武,李梓毓

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 成庄煤矿； 2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 技术研究院，山西 晋城 048006)

陷落柱是岩溶空洞塌陷的产物，它的存在不仅影响煤矿生产，而且给煤矿安全带来严重威胁。因此，在工作面回采之前，探明其内部陷落柱的赋存位置，对保障煤矿的安全高产高效至关重要[1]。

目前，采面内陷落柱探测的主要物探方法以无线电波透视为主，但其探测距离较短、纵向分辨率不高，且不能完成超宽工作面内陷落柱的精细化探测。槽波地震勘探作为一种高精度探测手段，具有探测距离远、震源信号强、波形特征明显、不受电力干扰、解释精度高且直观等特点，在煤矿井下的陷落柱探测中被广泛的推广和应用，前景广阔，意义重大[2-5]。

1 槽波透射法探测原理及方法

1.1 探测原理

煤系地层中，煤层相对于围岩具有速度低、密度小的特点，表明“围岩-煤层-围岩”结构中(见图1)，煤层与顶底板界面形成一个极强的波阻抗分界面。当震源在煤层中激发了体波，包括纵波(P波)和横波(S波)，地震波在煤系地层中传播形成了以煤层为中心的低速“槽”或低速“波导层”，激发的部分能量由于顶底板界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石中，不向围岩辐射，在煤槽中相互叠加、相长干涉、形成一个强的干涉扰动，即槽波(见图2)。槽波以煤层为波导沿着煤槽向外传播，又称为煤层波或导波。

α -入射波入射角；β -透射波透射角；i0-临界角；V1、V2-介质波速图2 槽波形成示意图Fig.2 Channel wave formation

根据物理构成和极化特征，煤层中可能形成P-SV和SH-SH两类干涉振动或槽波，作为简正振型传播于煤层中。其中，将P波与SV波在煤层中形成的干涉波称为Rayleigh型槽波(简记为R波)，R波质点在垂直于煤层面、平行于传播方向的平面内振动，既有水平分量又有垂直分量，质点振动轨迹一般呈逆行椭圆状；将单一的SH波在煤层中形成的干涉波称为Love型槽波(简记为L波)，L波质点在平行于煤层面、垂直于传播方向的平面内振动。目前，槽波探测和解析过程中，主要采集和应用Love型槽波[6-8]。

当槽波在煤层中传播时，若煤体中赋存有断层、陷落柱、破碎区等地质异常时，检波器接收到的槽波信号会发生显著变化，如振幅值、槽波速度等，大量槽波数据汇总、分析和CT，最终能辨别出地质异常的位置和形态，再结合现场地质资料和其它物探信息，对异常进行性质推断，指导安全生产。

1.2 探测方法

槽波地震勘探根据探测目的不同，可以采取透射法、反射法和透射-反射联合法等三种布置方式[9-10]。其中，槽波透射法是指将震源和检波器排列布置在不同的巷道中，震源布置在一条巷道内激发，检波器排列布置在另一条巷道内接受槽波(见图3)。

图3 槽波透射法勘探布置示意图Fig.3 Channel wave transmission detection principle

2 槽波透射法探测陷落柱实例

2.1 工作面概况

晋煤集团某煤矿4313工作面顺槽长度1 710 m，切眼宽度205 m，为3#煤层，平均厚度6.3 m，稳定可采。根据地面三维地震勘探资料，采面内无大型构造发育，但根据无线电波透视结果，采面内存在一定异常反应，主要异常地段位于停采线外20 m～100 m(图4中异常1)，以及停采线内300 m～390 m(图4中异常2)，推断为陷落柱影响，但无法圈定其具体位置和范围，整体纵向分辨率不高。为精确查明工作面回采范围内陷落柱的赋存特征，针对4313工作面停采线内的600 m范围展开槽波透射法勘探。

图4 4313工作面主要异常地段的无线电波透视成果Fig.4 Radio wave perspective results of major abnormal sections on No.4313 working face

2.2 观测系统布置

槽波探测观测系统需要根据设备数量、施工条件、探测精度等因素进行设计，综合确定震源和检波器的布置位置、道间距、炮间距等。本次4313工作面主要采用槽波透射法进行勘探，测线长度600 m，为准确推断短轴大于20 m的陷落柱和断距大于3 m的断层，在43131巷布置炮点30个，炮间距为20 m，43133巷布置检波点32个，道间距为20 m，且每个检波器采用双分量接收震波数据。

2.3 槽波数据分析

图5为本次槽波探测采集到的原始单炮记录，以第21炮的Y分量数据为主，可以看出：根据煤岩层中地震波的传播速度不同，首先接收到的是纵波，波速约3 800 m/s，之后是横波，波速约2 200 m/s，接下来就是槽波，最后是能量最强、速度最慢的艾里相，结合频谱分析，通过傅里叶变换，计算出区域震波的频率范围为50 Hz～250 Hz，槽波主频集中在120 Hz左右。另外，由于第2～5个检波器接收到的槽波射线穿越陷落柱，其槽波能量衰减严重，艾里相位清晰程度下降，且不连续，可以作为一个初判地质异常的依据，对后期的数据分析和成果解释至关重要。

图5 4313工作面单炮原始记录(第21炮)Fig.5 Original single-short record of No.4313 working face (the 21st shot)

2.4 探采成果对比

本次数据处理采用槽波透射法能量分析，主要流程包括采集数据导入、观测系统加载、槽波数据分析、地震数据编辑、槽波数据批处理、槽波参数提取等，之后得出探测范围的槽波振幅值，采用CT层析成像方法绘制衰减系数云图，根据衰减系数成像中的槽波能量变化特征，推断地质构造的位置、范围以及煤体变异情况。

图6为槽波衰减系数层析成像图。暖色区域表示槽波能量衰减严重，推断为地质构造影响，绿色及冷色区域表示槽波能量均衡，推断为正常煤体反应，最终圈定4处地质异常，命名为YC1、YC2、 YC3、YC4，图6中红色实线进行圈定。目前，工作面已回采完毕，地质异常推断及揭露信息如下：

1)YC1位于4313停采线以里359 m～422 m，横向跨度63 m，纵向跨度47 m，结合现场和地质资料分析，推断为断层影响区域，实际揭露为F141断层(断距约0.8 m)的影响区域。

2)YC2位于4313停采线以里340 m～410 m，横向跨度70 m，纵向跨度75 m，结合现场和地质资料分析，推断为断层影响或煤体破碎区域，实际揭露为F114断层(断距约1.5 m)和F115断层(断距约2 m)的影响区域，顶板不好，煤体较破碎。

3)YC3位于4313停采线以里394 m～478 m，横向跨度84 m，纵向跨度82 m，结合槽波资料中，穿越该区域槽波射线的振幅值衰减严重，艾里相缺失，以及无线电波透视法中，异常2(图6中蓝色虚线圈定的)的“V”字型场强衰减(符合陷落柱特征)，综合推断为陷落柱影响区域，实际揭露为一陷落柱(长轴为80 m，短轴为76 m)，影响范围包含在粉色实线圈定区域内。

图6 4313工作面槽波衰减系数层析成像图Fig.6 Channel wave detection results of No.4313 working face

4)YC4位于4313停采线以里462 m～513 m，横向跨度51 m，纵向跨度54 m，结合现场和地质资料分析，推断为断层影响区域，实际揭露为F133断层(断距约1.2 m)和F134断层(断距约2.2 m)的影响区域，煤体较破碎。

综合槽波探测区域的探采成果对比，说明本次4313工作面的槽波透射法勘探效果良好，不但能够有效反应断层的影响范围，而且能够准确圈定陷落柱的赋存位置，相比于无线电波透视成果(图6中蓝色虚线圈定的异常2)，分辨率和准确率大幅提高，对采煤工作面隐伏构造的预测预报和安全回采意义重大。

3 结论

1)槽波透射法探测过程中，如果槽波射线穿越陷落柱等地质构造，检波器接收到的槽波能量会大幅衰减，艾里相位清晰程度下降，且不连续，可以作为一个初判陷落柱地质构造的依据，对后期的数据分析和成果解释至关重要。

2)槽波透射法探测技术，不但能够探查断层及其影响区域，对陷落柱的发育形态和影响范围更能进行准确定位，相比于无线电波透视技术，大大提高了探测分辨率和准确率。

3)槽波地震勘探的探测结果直观、明了，对陷落柱等地质构造的探测效果良好，可以有效指导安全生产，对采煤矿井意义重大。