槽波反射法在礦井?dāng)鄬犹綔y(cè)中的應(yīng)用

呂振繪

【摘 要】 斷層是制約礦井生產(chǎn)的一個(gè)重要影響因素，提前探測(cè)出斷層位置及賦存參數(shù)對(duì)確保礦井生產(chǎn)安全具有重要意義。為了探測(cè)出屯蘭礦22301工作面斷層賦存情況，在采面皮帶巷內(nèi)采用槽波反射法進(jìn)行探測(cè)，后將探測(cè)結(jié)果與鉆探、實(shí)際開(kāi)采時(shí)揭露斷層參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)該技術(shù)方法在井下斷層精度勘探中應(yīng)用情況進(jìn)行分析。采用主頻率100～150Hz、速度880m/s槽波在22301探測(cè)出存在一條西南方向、長(zhǎng)度205m反射界面，推測(cè)為一斷層，經(jīng)過(guò)軌道巷道內(nèi)的鉆探、掘進(jìn)揭露以及采面回采揭露，證明了該斷層真實(shí)存在，且實(shí)際走向與探測(cè)走向一致，實(shí)際揭露位置與探測(cè)位置偏差8m，采面內(nèi)延伸長(zhǎng)偏差7m。結(jié)果表明，采用槽波反射法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采面內(nèi)斷層的精準(zhǔn)探測(cè)，可以在一定程度上彌補(bǔ)三維地震勘探存在的探測(cè)結(jié)果偏差大問(wèn)題，提升采面生產(chǎn)安全系數(shù)。

【關(guān)鍵詞】 物探;煤礦生產(chǎn);斷層;槽波反射法;槽波頻率

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD166 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）02-0019-03

屯蘭礦井田地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，特別是斷層較為發(fā)育，給礦井采面布置以及巷道掘進(jìn)、采面回采等帶來(lái)不利影響。若回采或者巷道掘進(jìn)遇到無(wú)計(jì)劃揭露斷層會(huì)有頂板冒頂、涌水、瓦斯突出等安全事故，在影響井下作業(yè)人員安全的同時(shí)也會(huì)給礦井帶來(lái)較大財(cái)產(chǎn)損失?，F(xiàn)階段礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)常用技術(shù)手段有無(wú)線(xiàn)電坑透、鉆探及三維地震勘探等，但不同程度存在探測(cè)精度差、耗時(shí)費(fèi)力及對(duì)探測(cè)環(huán)境要求高等問(wèn)題。

槽波探測(cè)技術(shù)近些年憑借探測(cè)范圍廣、精度高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下應(yīng)用比較廣泛。槽波反射法可以對(duì)不同波阻抗的地質(zhì)邊界進(jìn)行探測(cè)，多用于探測(cè)斷層，也可探測(cè)陷落柱邊界，可以在單一側(cè)巷道內(nèi)對(duì)斷層進(jìn)行探測(cè)。22301工作面現(xiàn)僅掘進(jìn)22301皮帶巷，為了確保后續(xù)切眼、22301軌道巷掘進(jìn)安全，礦井采用槽波反射法對(duì)采面內(nèi)斷層進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，以便指導(dǎo)后續(xù)礦井生產(chǎn)。

1工程概況

屯蘭礦22301工作面設(shè)計(jì)走向2673-2632m，傾向215m，開(kāi)采埋深357m-458m，開(kāi)采煤層厚度4.10～4.79m，平均4.39m?，F(xiàn)22301皮帶巷已掘進(jìn)完成，軌道巷及其他輔助巷均未掘進(jìn)。地面三維地震探測(cè)結(jié)果表明采面內(nèi)存在三條斷層，預(yù)計(jì)斷層發(fā)育參數(shù)為JFD22（H=0～10m，∠70°）、JFD87（H=0～2m，∠45°～50°）、JFD88（H=0～2m，∠50°～55°），JFD22斷層可能會(huì)影響切眼掘進(jìn)。為了精準(zhǔn)對(duì)JFD22、JFD87及JFD88斷層賦存情況進(jìn)行探測(cè)，以便為其余巷道掘進(jìn)過(guò)斷層提供指導(dǎo)，礦井決定在已掘進(jìn)的22301皮帶巷進(jìn)行槽波反射勘探。

2槽波探測(cè)技術(shù)

2.1槽波探測(cè)原理

槽波在探測(cè)區(qū)域內(nèi)激發(fā)震動(dòng)，便會(huì)在各個(gè)方向擴(kuò)散產(chǎn)生地震波（含P波及S波），其中S波分為SV、SH波。由于煤、巖層性質(zhì)差異，地震波在煤、巖層等傳播時(shí)速度存在差異，同時(shí)在煤層頂?shù)装鍟?huì)出現(xiàn)發(fā)射、折射，地震波在煤層內(nèi)疊加形成槽波（見(jiàn)圖1）。當(dāng)探測(cè)范圍內(nèi)存在如斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，槽波特性會(huì)發(fā)生改變，對(duì)槽波特性分析便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的詳細(xì)探測(cè)。

槽波探測(cè)可細(xì)分為反射法、透射法以及聯(lián)合法。反射法是將炮點(diǎn)、槽波檢波器布置在同一巷道內(nèi)，炮點(diǎn)鉆孔布置在煤層中部，當(dāng)震源激發(fā)產(chǎn)生的槽波遇到地質(zhì)異常界面后，產(chǎn)生反射槽波信號(hào)，在巷道內(nèi)的槽波檢波器就可以接收到反射信號(hào)，通過(guò)識(shí)別分析，便可對(duì)地質(zhì)異常體類(lèi)型以及延伸長(zhǎng)度進(jìn)行確定，具體見(jiàn)圖2。

槽波反射法受到諸如反射系數(shù)、斷層落差、多條斷層疊加以及斷層傾向等參數(shù)影響，因此適用于在槽波賦存特性相對(duì)較好的煤層中。在井下采用槽波反射法對(duì)斷層進(jìn)行探測(cè)時(shí)需要合理地布置觀測(cè)系統(tǒng)，以便獲取較好的探測(cè)結(jié)果。

2.2探測(cè)系統(tǒng)布置

采用的勘探設(shè)備型號(hào)為Summit II Ex地震儀，測(cè)線(xiàn)布置長(zhǎng)度為350m，在22301皮帶巷內(nèi)每隔15m布置一個(gè)檢波器，共布置20個(gè);每隔7.5m布置一個(gè)炮孔，共布置48個(gè)，單個(gè)炮孔裝入0.2kg，從皮帶巷與切眼交匯處開(kāi)始至停采線(xiàn)位置逐炮激發(fā)將接收槽波數(shù)據(jù)。具體布置示意見(jiàn)圖3。

2.3探測(cè)數(shù)據(jù)處理

采用槽波反射法對(duì)采面內(nèi)斷層進(jìn)行探測(cè)，在皮帶巷布置的震源激發(fā)后形成的槽波擴(kuò)散呈現(xiàn)環(huán)狀。由于檢波器與震源在同一巷道內(nèi)，這部分直達(dá)槽波會(huì)沿著煤壁最快、最先達(dá)到檢波器，另一部分槽波在采面內(nèi)由于經(jīng)過(guò)斷層反射后形成反射槽波，且槽波傳輸距離要顯著遠(yuǎn)于直達(dá)槽波，滯后達(dá)到檢波器。

從圖4可以看出，在300～450ms間存在的反射槽波具有低速、高頻特點(diǎn)，同時(shí)反射槽波存在也表明探測(cè)范圍內(nèi)存在地質(zhì)異常體。

對(duì)槽波探測(cè)數(shù)據(jù)處理采用SPW處理系統(tǒng)，具體的數(shù)據(jù)處理流程為：數(shù)據(jù)錄入→觀測(cè)系統(tǒng)加載→延時(shí)校正（靜校正）→AGG增益及濾波→速度分析（動(dòng)校正）→包絡(luò)計(jì)算→CPM包絡(luò)疊加→時(shí)深轉(zhuǎn)換以及相移偏移。具體數(shù)據(jù)處理得到的反演結(jié)果見(jiàn)圖5。

由于疊加形成的槽波具有頻散特性，造成反射槽波分布在以時(shí)間寬度范圍內(nèi)，而不是一條同軸上，根據(jù)“取中原則”確定出槽波異常區(qū)范圍，具體見(jiàn)圖5中虛線(xiàn)部分，命名為JFD01斷層。根據(jù)反射槽波探測(cè)結(jié)果及以往地質(zhì)勘探資料，推測(cè)出該異常區(qū)為西南向斷層，在采面內(nèi)延伸發(fā)育長(zhǎng)度為205m，且與軌道巷交匯位置與開(kāi)切眼間距離為210m。

3探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用槽波反射法探測(cè)出的JFD01斷層精準(zhǔn)度，在22301軌道巷掘進(jìn)距切眼360m、280m位置時(shí)施工探測(cè)鉆孔，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具體槽波反射法、三維地震以及鉆探確定的斷層位置見(jiàn)圖6。

1號(hào)鉆孔揭露斷層位置與22301軌道巷距離為79m，與槽波反射法推斷的斷層距軌道巷距離82m差3m;2號(hào)鉆孔揭露斷層位置與22301軌道巷距離為67m，與槽波反射法推斷的斷層距軌道巷距離65m差2m。同時(shí)22301軌道巷揭露JFD01斷層時(shí)與切眼相距215m，較槽波反射法推斷的距斷層210m相差5m，與三維地震勘探出的JDF22斷層位置（距切眼197m）相差18m。

同時(shí)22301采面回采時(shí)實(shí)際揭露的斷層與槽波反射法探測(cè)出的JDF01斷層賦存參數(shù)高度相似，具體位置偏差在8m以?xún)?nèi)，揭露的斷層走向與探測(cè)出的斷層走向一致，在采面內(nèi)實(shí)際揭露的斷層延伸長(zhǎng)度為212m，較槽波反射法探測(cè)的采面內(nèi)斷層延伸長(zhǎng)度205m多7m，三維地震勘探推測(cè)出來(lái)的JDF22斷層在采面內(nèi)的延伸長(zhǎng)度僅為53m，同時(shí)JDF87、JDF88與實(shí)際揭露的斷層走向、延伸長(zhǎng)度等差距均較大。

通過(guò)對(duì)比22301采面鉆探、實(shí)際開(kāi)采揭露斷層與三維地震勘探及槽波反射法探測(cè)出的斷層參數(shù)，表明：采用槽波反射法探測(cè)出的斷層參數(shù)具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，可以為三維地震勘探成果提供可靠補(bǔ)充，有效糾正采面內(nèi)JDF87、JDF88斷層存在的誤判，并彌補(bǔ)JDF22斷層探測(cè)結(jié)果存在延伸距離過(guò)小問(wèn)題，避免礦井在巷道掘進(jìn)以及采面回采時(shí)面臨無(wú)計(jì)劃揭露斷層風(fēng)險(xiǎn)，提升了采面采掘安全系數(shù)，取得顯著安全、經(jīng)濟(jì)效益。

4總結(jié)

（1）在槽波反射法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)槽波主頻率在100～150Hz，槽波速度在880m/s時(shí)的槽波探測(cè)數(shù)據(jù)解析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更為吻合;

（2）在22301采面應(yīng)用實(shí)踐表明，槽波反射法探測(cè)出的西南走向，采面內(nèi)延伸長(zhǎng)度在205m的JDF01斷層與采面回采時(shí)實(shí)際揭露的斷層高度一致，位置偏差在8m以?xún)?nèi)，有效指導(dǎo)了采面生產(chǎn)。同時(shí)探測(cè)結(jié)果在一定程度上補(bǔ)充了三維地震勘探結(jié)果存在誤差較大問(wèn)題，是井下地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)補(bǔ)充勘探中一種切實(shí)可行的技術(shù)措施;

（3）由于疊加形成的槽波具有信噪比低、分散性等特點(diǎn)，給槽波速度確定及后續(xù)成果解釋增加了一定的困難，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中難以避免會(huì)出現(xiàn)一定解釋偏差。同時(shí)當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)軸向與斷層走向間角度較大時(shí)探測(cè)結(jié)果解釋準(zhǔn)確性不足，在后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，避免上述情況發(fā)生，提升槽波反射法解釋精度。

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