浅析槽波地震探测煤矿综采面的应用

翁海龙

(国能神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿，山西 忻州 034000)

0 引言

随着煤矿对安全生产要求的不断提高，本着“先探后采”的安全生产原则，利用煤矿井下槽波地震勘探技术对保德煤矿81505工作面断层及陷落柱等地质异常体进行探明。

槽波地质勘探最先是由Evison在煤矿井下进行试验并发现[1]，随后Krey综合了地震波在不同介质中的传播规律，并给出了地震波在煤层中传播的数学公式[2]。随着槽波地震勘探技术理论及装备的优化更新，其探测范围和探测精度也随之提高。目前已经能够探测出与煤厚近似大小的断层以及其他小构造，成为了煤矿井下勘探的一种可靠技术手段，近年来被广泛应用[3-6]，尤其是在隐伏构造及小构造的探测中，槽波探测能够发挥其明显优势[7-8]。

1 工作面概况

81505综放工作面位于井田8号煤层的五盘区，北为原康家滩矿的采空区，南为五盘区集中大巷，东为81504综放工作面，西为81506规划综放工作面。81505工作面走向1858 m，倾向240 m。工作面平均煤厚8 m。本次勘探范围为81505整个综放工作面，该工作面由一号回风顺槽、胶运顺槽、回撤通道及切眼组成，如图1所示。

图1 槽波勘探区位置示意Fig.1 Location of trough wave exploration area

本次探测工作所在的81505综放工作面煤层结构简单。工作面内煤层、围岩、砂岩的物性(密度和速度)差异较大，故煤层与围岩的波阻抗差异会很明显。煤层与围岩间的交界面会呈现为良好的地震波反射面，非常有利于槽波在煤层中传播，且工作面宽度在槽波可传播的最大距离范围之内，可以保证槽波能量不易衰减。

2 槽波地震勘探与槽波CT层析成像技术

2.1 槽波地震勘探

槽波地震勘探是一种可以在煤层中激发和传播的导波，包含有槽波透射法和槽波反射法。它是探查煤层不连续性的一种地球物理方法，也是地震勘探的一个分支。大小断层、煤层尖灭、变薄、陷落柱、采空区、空废弃巷道等类型的地质异常都能通过探测分析出来。具有探测距离大、抗干扰能力强、地质异常探测精度高、波形数据易于识别、最终成果直观的突出优点，尤其在探测准确率和距离上在煤矿是很有优势的。

2.1.1 槽波透射法

槽波透射法是槽波地震法中最基本可靠也是最常用的一种方法，采用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。如图2所示，爆炸点与槽波接收点布置在所需探测工作面不同巷道内，根据槽波有、无，强、弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。

图2 槽波透射法勘探示意Fig.2 Exploration of trough wave transmission method

2.1.2 槽波反射法

槽波反射法是反射槽波信号，简单的说就是槽波可在煤层中传输，如遇不连续煤层，其传播速度和密度就会受到阻抗而发生变化。识别出这些反射槽波信号，可以直接判断出所测工作面中煤层变化情况，存在不连续体的具体位置。如图3所示，槽波反射法可以在一条煤巷中向周边范围内两侧进行小构造探测，该方法在采矿方面的价值特别大，犹如透视眼，直接探测出来异常地质构造位置，是槽波地震探测技术的重要部分。

图3 槽波反射法勘探示意Fig.3 Exploration of trough wave reflection method

槽波透射法与槽波反射法2种测量都有各自优缺点，可以相互弥补不足之处，根据具体探测条件与目的联合应用效果最终得出所需探测工作面的地质情况。

2.2 槽波CT层析成像技术

槽波CT技术就像是我们日常体检的CT，此次该技术用于一种断层扫描技术，是根据物体横断面一系列投影数据多层成像再通过数据处理而获得物体横断面的图像。可谓是由数据到图像重建的高科技技术。根据不同的研究目的与需要，可以结合被测物体的具体情况，通过人工制造人为的地震，或依赖自然界地震来捕获不同条件下介质的分层与构造图像。

3 施工方法及技术措施

本次槽波地震勘探施工前后历时共20天，测线长度共计4 010 m，布设检波点402道，激发炮点151个；采集质量较好的透射槽波数据，透视射线的密度高，可覆盖整个勘探区域。该工作面煤层槽波发育较好，室内处理解释工作进展顺利，基本查明了工作面内构造情况。

3.1 施工组织设计

结合本次任务需要，采用全排列采集方案就可以对工作面内隐伏地质异常体进行准确解释。

本次81505工作面槽波地震勘探主要沿主回撤通道、一号回风顺槽、切眼及胶运顺槽巷道侧帮布置炮点和检波器，设计方案如下。

检波点：81505工作面主回撤通道、一号回风顺槽、切眼及胶运顺槽均采用10 m接收道距，共设计检波点402个(主回撤通道距离胶运顺槽150 m范围内，由于泥水较多没有布置测线)。

炮点：81505工作面主回撤通道、一号回风顺槽、切眼及胶运顺槽均采用30 m炮间距，设计激发物理点135个。在胶运顺槽钻孔中发现工作面内可能存在岩性异常，在原设计的基础上对回风顺槽炮点进行加密，从距主回撤巷道 190 m处开始加密，共加密25炮，炮间距15 m，所以共设计炮点160个。槽波探测工作面区域射线密度，如图4所示。

图4 81505工作面槽波探测区域射线密度Fig.4 Ray density of trough wave exploration area in 81505 working face

3.2 施工方法

针对巷道掘进情况、煤层的变化趋势，在实际施工中要求检波器与巷道侧帮耦合要好。尽量保证检波点和炮眼位置均靠向煤层的中部，垂直方向距离巷道底板可达2.5 m。设计炮孔深为3 m，方向是垂直于煤壁，药量为300 g，若煤壁有损坏则药量减为200 g。每个激发点为放炮点，排列内的所有接收点均为接收点。

本次81505工作面槽波地震勘探实际施工中，共布设炮点160炮，检波点402道，S代表炮点，R代表检波点。

施工过程中，按测点所标记位置布设仪器和检波器。检波器之间用测线进行连接，固定在巷道侧帮煤层中。测线布置好后，放炮前其他人员要撤离到安全地带，放炮由具有井下放炮资质的爆破人员负责，整个施工过程要严格按照安全规程及此次施工的安全技术措施及施工方案进行作业，待所有激发点放炮完毕，全面回收设备后，本次施工井下采集结束。

放炮时，部分炮孔处煤壁破碎或靠近管道，为安全考虑，没有放炮，存在个别哑炮，最终接收炮数151个。

测线具体布置方案，见表1、2。

表1 81505工作面炮点布置一览

表2 81505工作面接收点布置一览

4 数据处理与解释

槽波数据处理是对槽波数据进行有关数学分析、计算，进而提高原始槽波数据的信噪比，从中提取与解释、研判目标有关图像及数据信息，从而提高槽波勘探精度，识别异常体性质及空间位置。

4.1 透射槽波能量分析

槽波在煤层中传播具有很好的穿透性。当工作面内煤层岩性相对稳定、单一时，槽波能够穿透大部分探测工作面范围，能量衰减较为缓慢、易于识别。当槽波在传播过程中遇到陷落柱、断层、采空区等异常地质构造时，槽波能量会发生明显改变。以断层为例，如断层断距大于煤层厚度，煤层被完全断开时，槽波无法穿透到另一盘，会造成槽波能量的迅速衰减；当断层断距趋于小于煤厚但大于1/2煤厚时，煤层没有完全断开，煤层的上下盘之间仍有煤层的连接，这就相当于过断层区域煤厚变薄，槽波频散曲线向高频方向移动，仅有槽波的高频部分能够透过断层面，而低频部分则被断层面遮挡住，所以过断层前后槽波的总体能量降低，能量衰减越多，断层断距也越大；当断层断距在小于1/2煤厚时，大部分槽波是能够穿透断层，槽波能量衰减较小，从其中不易观察到断层的形态，如图5所示。

图5 槽波透射与断层断距的关系Fig.5 Relationship between trough wave transmission and fault displacement

本次槽波资料解释中，利用透射槽波能量对所探测的81505工作面地质异常进行了分析，针对工作面内存在地质异常选取S61、S111、S115、S121、S123炮点槽波透射记录解释。

图6为S61炮激发，R229～R408道接收范围及槽波记录，图中接收道范围内槽波能量比较强，说明S61炮激发的槽波在接收道范围内并未受到地质异常的阻挡。

图6 S61单炮接收道槽波记录Fig.6 Trough wave recording of S61 single shot receiving channel

图7为S111炮激发，R24～R125道接收范围及槽波记录，图中接收道范围内槽波能量比较强，而R24～R53道之间槽波能量减弱，为正常的远道能量衰减，说明S111炮激发的槽波在接收道范围内并未受到地质异常的阻挡。

图7 S111单炮接收道槽波记录Fig.7 Trough wave recording of S111 single shot receiving channel

图8为S115炮激发，R24～R125道接收范围及槽波记录，图中接收道范围内槽波能量比较强，说明S115炮激发的槽波在接收道范围内并未受到地质异常的阻挡。本炮槽波最远传播距离达1 200 m。

图8 S115单炮接收道槽波记录Fig.8 Trough wave recording of S115 single shot receiving channel

图9为S121炮激发，R24～R125道接收范围及槽波记录，图中接收道范围内槽波能量比较强，说明S121炮激发的槽波在接收道范围内并未受到地质异常的阻挡。

图9 S121单炮接收道槽波记录Fig.9 Trough wave recording of S121 single shot receiving channel

图10为S123炮激发，R24～R125道接收范围及槽波记录，图中接收道范围内槽波能量比较强，说明S123炮激发的槽波在接收道范围内并未受到地质异常的阻挡。

图10 S123单炮接收道槽波记录Fig.10 Trough wave recording of S123 single shot receiving channel

4.2 透射槽波能量成像

槽波是沿煤层可传播的一种导波，如果煤层中局部区域与其他区域之间存在物性差异，就会导致在经过这一区域的槽波在波速或能量上出现差异。

此次按照81505工作面大小建立一个X为方向1 860 m，Y为方向240 m模型，网格大小是2.5 m。即X方向是744个，Y方向是96个点，每个点代表一个2.5 m×2.5 m的煤层槽波能量。再对采集到的数据进行滤波，从中求出槽波从每一个炮点激发后传播到每一个检波点的槽波能量。然后将所有射线的槽波能量带入到CT算法中进行迭代求解，最终可得到此模型上每个网格点的能量分布数据。81505工作面槽波地震勘探能量成像，如图11所示，其中蓝色代表槽波能量正常穿透区域，红色代表槽波能量低穿透区域。

图11 81505工作面槽波能量成像Fig.11 Trough wave energy imaging of 81505 working face

成像结果解释推断原则：槽波能量低穿透区位置表示该区域发育地质异常体，槽波能量的相对值一般大于0.8为正常煤层，小于0.6表示存在异常，0.6～0.8之间表示可能存在异常(此处煤层正常表示，煤层内不存在规模大于槽波探测指标的构造，如不存在落差大于煤厚1/2的断层或薄煤带；异常表示，存在规模大于槽波探测指标的构造)。图11中槽波能量相对值大部分区域在0.9之上，全部区域大于0.8，说明工作面内煤层正常，没有发现落差大于煤厚1/2的断层或薄煤带，未发现其它地质异常。

4.3 折射波速度成像

地震波激发后，沿煤层顶底板的折射波也同样可以被接收，当遇到构造带或应力集中区时，折射波速度会发生变化。由于折射波速度较大，雷管延迟影响成像效果，对小构造的探测精度较低，此方法一般作为辅助分析。81505工作面折射波速度成像，如图12所示。

图12 81505工作面折射波速度成像Fig.12 Refraction velocity imaging of 81505 working face

由图可知，折射波速度大都在4 000～4 300 m/s的范围内，速度正常，距离切眼1 200～1 500 m范围速度稍高，约4 350 m/s，靠近主回撤巷道附近速度稍低，约3 950 m/s，仍在正常范围内，所以折射波速度图整体没有异常显示。

5 结语

依据槽波能量和折射波速度成像结果，并结合巷道揭露情况，对本次工作面内地质构造进行解释如下。81505工作面周围巷道未揭露断层，煤层稳定，煤厚变化小；槽波穿过整个工作面能量没有明显减小，说明槽波穿透工作面时未遇到构造阻挡，槽波能量成像图上未发现地质异常。工作面内折射波速度在正常范围内，说明折射波传播过程中未遇到大的构造带，未发现地质异常。整个工作面回采验证了此次槽波地震探测技术在煤矿使用的效果。通过以上结果综合分析得出结论：81505工作面内未发现落差大于1/2煤厚的断层及其它地质异常状况。