槽波探測(cè)技術(shù)在濟(jì)寧陽城煤礦的應(yīng)用

毛慶福，高學(xué)亮，劉 震

（山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

濟(jì)寧地區(qū)很多煤礦開采地質(zhì)條件復(fù)雜，次級(jí)斷層發(fā)育很多，給煤礦開采帶來很多困難，尤其工作面內(nèi)未查明的隱伏斷層常常打亂正常開采計(jì)劃，拖慢施工進(jìn)度，嚴(yán)重者危害煤礦安全，給煤礦生產(chǎn)帶來很大影響。

槽波地震勘探（In Seam Seismics，簡(jiǎn)稱ISS）是利用在煤層中激發(fā)和傳播的槽波（或稱煤層波）探查煤層內(nèi)的構(gòu)造[1,2]（Dresen and Rüter,1994；劉天放等，1994），在探測(cè)斷層、陷落柱等構(gòu)造方面效果好，由于在井下觀測(cè)，距離地質(zhì)異常體近，比地面三維地震勘探更為精確，在探測(cè)距離和精度上也優(yōu)于其他礦井物探方法。

從上世紀(jì)50年代槽波開始被發(fā)現(xiàn)[3]（Evison，1955），隨后很多學(xué)者對(duì)槽波性質(zhì)進(jìn)行了研究[4-6]（Krey，1962；Krey等，1982；Buchanan 等，1983）。1985年，德國(guó)WBK公司推出了分布式槽波數(shù)字地震儀SEAMEX85，加速了槽波的實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)槽波的研究始于上世紀(jì)80年代，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和中煤科工集團(tuán)西安研究院等單位做了較多研究和應(yīng)用工作[2,7]。近幾年，槽波研究越來越多[8-10]，因其良好的探測(cè)效果，在煤礦中的應(yīng)用越來越普遍[11,12]。

1 槽波勘探原理

煤層和圍巖相比體現(xiàn)出速度小、密度低等特征，是一類具有代表性的低速夾層，形成了一個(gè)特殊的“波導(dǎo)”。在煤層中激發(fā)地震波，地震波在頂?shù)装迳蠒?huì)形成全反射，在煤槽內(nèi)彼此進(jìn)行疊加，從而形成槽波。因而槽波具有能量強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

探測(cè)工作面內(nèi)部構(gòu)造一般采用槽波透射法。該方法在進(jìn)行勘探時(shí)，接收排列和震源排列處于工作面兩側(cè)巷道中，在煤層內(nèi)激發(fā)槽波。假如工作面內(nèi)煤層正常，不存在地質(zhì)異常，那么槽波就可以被檢波器成功獲取；當(dāng)斷層的落差超過了煤層厚度，煤層就從整體上被切斷，通常在接收排列上不能有效的收到槽波；當(dāng)斷層落差小于煤厚，煤層并未徹底斷開，在接收排列上依然可以獲取部分槽波，但槽波能量發(fā)生了明顯的減弱，速度也受到一定影響，這是槽波勘探的原理。

2 槽波振幅衰減系數(shù)CT成像方法

對(duì)透射槽波，槽波振幅衰減不僅與介質(zhì)本身吸收有關(guān)，還受斷層、陷落柱等構(gòu)造的阻擋影響，把構(gòu)造的阻擋等同于介質(zhì)吸收作用[13]，令其等效衰減系數(shù)為α。令槽波初始振幅為Ao，槽波傳播x距離后，振幅變?yōu)锳，A可表示為：

一般來說，斷距大于二分之一煤厚的斷層、煤厚變化幅度大于二分之一煤厚的煤層等較大構(gòu)造，對(duì)透射槽波能量的衰減很大，尤其對(duì)斷層、陷落柱構(gòu)造，槽波振幅變化劇烈，所以槽波也一般用振幅變化判斷構(gòu)造異常。

把煤層平面劃分為m個(gè)小矩形網(wǎng)格，假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有n條炮點(diǎn)檢波點(diǎn)射線穿過，射線穿過任意一個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度是dij，對(duì)第j條射線則可形成振幅衰減系數(shù)向量方程[14]：

把所有射線方程組合起來則得到槽波衰減系數(shù)矩陣方程。衰減系數(shù)矩陣方程求解可采用代數(shù)重建技術(shù)（Algebraic Reconstruction Technique，簡(jiǎn)稱ART）、聯(lián)合代數(shù)重建技術(shù)（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique，簡(jiǎn)稱SART）或聯(lián)合迭代重建 技 術(shù) （SimultaneousIterativeReconstruction Technique，簡(jiǎn)稱 SIRT）等算法。

3 陽城煤礦1311工作面槽波構(gòu)造探測(cè)應(yīng)用

3.1 工作面概況

陽城煤礦1311工作面（圖1）設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)330m，傾斜寬186m，1311工作面傾角20°～26°，工作面標(biāo)高-360～-580m。煤層為3號(hào)煤，煤層厚度6.9m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂?shù)装逡陨皫r和粉砂巖為主，滿足透射槽波勘探方法的地質(zhì)條件。根據(jù)三維地震資料，工作面周圍斷層較多。

圖1 1311工作面槽波探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖（●炮點(diǎn)▲檢波點(diǎn)）

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)布置

槽波理論最大探測(cè)距離是煤厚的300倍，所以該煤層槽波最大探測(cè)距離可達(dá)到6.9×300 m=2070 m，遠(yuǎn)大于本工作面長(zhǎng)度，所以槽波可用于該煤礦的超長(zhǎng)工作面探測(cè)。原計(jì)劃沿工作面周圍巷道布置炮點(diǎn)和檢波器，但因現(xiàn)場(chǎng)特殊情況某些巷道段不能布置炮點(diǎn)或檢波點(diǎn)，實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，皮帶順槽布置檢波器，軌道順槽布置炮點(diǎn)，檢波點(diǎn)間距和炮間距均采用10 m，實(shí)際布置檢波器孔25個(gè)，接收有效炮點(diǎn)33個(gè)。測(cè)點(diǎn)包圍了工作面，炮檢射線高密度覆蓋了探測(cè)區(qū)域，保證了探測(cè)精度。檢波器采用孔中氣囊式檢波器，孔深2 m，能夠使地震波不受煤壁松動(dòng)圈衰減的影響，接收信號(hào)質(zhì)量好，同時(shí)接收水平雙分量信號(hào)，利用Love槽波進(jìn)行探測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

選一炮數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，S25炮數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 S25炮槽波波場(chǎng)分析

圖2 為典型的槽波記錄，槽波能量很強(qiáng)、發(fā)育很好，說明該礦煤層條件十分適合槽波發(fā)育，利于槽波探測(cè)。最先到達(dá)的是來自圍巖的折射縱波，經(jīng)計(jì)算速度3100m/s，后面是折射橫波，速度為1500m/s，最后面能量最強(qiáng)的能量團(tuán)是槽波，速度850m/s。

應(yīng)用多次濾波法提取數(shù)據(jù)的頻散曲線（圖3），埃里相位速度為850m/s，和實(shí)際接收槽波能量團(tuán)速度一致。槽波埃里相頻率在120～200Hz之間，槽波整體頻率范圍在100～300Hz之間，可選取此頻率段進(jìn)行濾波。

圖3 槽波頻散曲線

當(dāng)槽波在傳播過程中遇到斷層、陷落柱、采空區(qū)等異常地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，槽波能量會(huì)發(fā)生改變。就斷層而言，若斷層斷距大于煤層厚度，煤層被完全斷開，則槽波無法穿透到達(dá)另一盤；當(dāng)斷層斷距小于煤厚時(shí)，煤層沒有被完全斷開，槽波部分能量能穿過煤層。

圖4 S1炮數(shù)據(jù)異常顯示

圖4 S1炮數(shù)據(jù)中，皮帶順槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很強(qiáng)，而在R9處槽波能量急劇減小，說明在此處槽波遇到了斷層等構(gòu)造阻擋造成能量減小，射線路徑上存在異常構(gòu)造。

圖5 S3炮數(shù)據(jù)異常顯示

圖5 S3炮數(shù)據(jù)中，皮帶順槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很強(qiáng)，而在R9處槽波能量急劇減小，和S1炮相同，說明在此處槽波遇到了斷層等構(gòu)造阻擋造成能量減小，射線路徑上必然存在較大的異常構(gòu)造。

3.4 槽波振幅衰減系數(shù)CT成像與地質(zhì)解釋

采用振幅衰減系數(shù)CT成像方法對(duì)槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，圖6為槽波衰減系數(shù)CT成像圖，圖中藍(lán)色代表槽波能量比較強(qiáng)的區(qū)域，槽波衰減系數(shù)小，槽波正常穿過，紅黃色代表槽波能量弱的區(qū)域，槽波遇到斷層、破碎帶等構(gòu)造阻擋，穿透能量急劇減弱，為構(gòu)造異常區(qū)。

圖6右邊紅色條帶區(qū)域是1311工作面最大的異常帶，推測(cè)為落差大于煤厚的斷層，命名為CF1，該斷層在巷道揭露處為巖石（圖1），無法打檢波器孔，沒有布置檢波器，造成該區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)盲區(qū)，所以成像圖上沒有顯示異常，但是根據(jù)異常帶延伸趨勢(shì)，該巷道段揭露斷層是CF1斷層的一部分。其他斷層CF2-CF5異常較小，推斷落差小于煤厚二分之一。工作面回采后驗(yàn)證CF1斷層解釋準(zhǔn)確，斷層落差大小、延伸規(guī)模和實(shí)際揭露一致，CF2、CF4、CF5斷層和實(shí)際揭露基本一致，CF3斷層和實(shí)際揭露位置有些出入，原因可能是該斷層較小，槽波技術(shù)對(duì)落差大于煤厚二分之一的斷層探測(cè)精度較高，而對(duì)于更小的斷層精度較低。

圖6 1311工作面槽波CT成像及構(gòu)造解釋圖（洋紅色線-槽波解釋構(gòu)造）

4 結(jié)論

槽波技術(shù)對(duì)斷層構(gòu)造反映敏感，探測(cè)準(zhǔn)確度高，能夠查明工作面內(nèi)小型隱伏構(gòu)造，為煤礦開采規(guī)劃和安全生產(chǎn)提供保障。槽波振幅衰減系數(shù)成像方法對(duì)異常成像精度較高，是槽波成像的優(yōu)選方法。濟(jì)寧陽城煤礦槽波發(fā)育好，煤層厚，槽波傳播距離遠(yuǎn)、探測(cè)范圍廣，具有探測(cè)超長(zhǎng)工作面的潛力，槽波技術(shù)在該煤礦及附近煤礦具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。