基于地震槽波透反射聯(lián)合勘探的斷層探測(cè)技術(shù)研究

張萬鵬 姚小帥 金明方

（河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司，河南 鄭州 454060）

觀音堂煤礦位于豫西三門峽市觀音堂鎮(zhèn)，受區(qū)域構(gòu)造影響，井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，煤層厚度變化較大，煤層賦存不穩(wěn)定。工作面上下巷在掘進(jìn)過程中所揭露的斷層，向工作面內(nèi)部延伸情況，尚缺乏有效的物探探測(cè)手段，鉆探手段施工成本高、周期長[1]，工作面內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。由于受井田范圍內(nèi)地表屬丘陵地貌、地形高低起伏、落差較大、探測(cè)區(qū)域采深較大等因素影響，導(dǎo)致常用于煤礦構(gòu)造探測(cè)的地面三維地震勘探結(jié)果與井下探測(cè)和工作面回采實(shí)際揭露情況差別較大，難以指導(dǎo)工作面設(shè)計(jì)、掘進(jìn)和回采。無線電波坑透探測(cè)手段僅能通過工作面內(nèi)部各區(qū)段對(duì)電磁波的吸收情況定性描述各部分煤層賦存情況，難以區(qū)分探測(cè)異常是煤層薄化、夾矸或是構(gòu)造發(fā)育等，且分辨率較低[2-3]。因此，現(xiàn)有物探手段難以準(zhǔn)確探測(cè)工作面內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育情況，導(dǎo)致工作面常因煤層薄化、構(gòu)造發(fā)育等因素，在回采過程中進(jìn)行巷道改造，重開切眼，甚至放棄工作面，斷層成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素之一。近年來，由于地震槽波探測(cè)距離遠(yuǎn)、攜帶介質(zhì)信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于井下煤厚變化、斷層和陷落柱等地質(zhì)異常的探查，地震槽波勘探手段在國內(nèi)發(fā)展較快，尤其在斷層探測(cè)方面，探測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯，成果可靠[4-6]。本研究擬采用地震槽波勘探手段開展工作面斷層探測(cè)，為礦井開展工作面改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 地震槽波探測(cè)原理概述

地震勘探是通過觀測(cè)和研究人工地震（炸藥爆炸、錘擊激發(fā)等）產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律來解決地質(zhì)問題的一種地球物理方法。槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)產(chǎn)生并且只在煤層中傳播的槽波來探查測(cè)區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱、煤厚變化和其他地質(zhì)異常體的一種物探方法，服務(wù)于煤礦安全高效生產(chǎn)，是地震勘探的一個(gè)分支。

在煤系地層中，煤層與圍巖相比具有密度小、地震波傳播速度低的特點(diǎn)。煤與圍巖的密度，速度比值約為1:1.5～3 之間，表明煤層頂、底板界面是一個(gè)極強(qiáng)的波阻抗（即速度與密度的乘積）分界面。因此在煤層中激發(fā)的地震波除部分向三維空間輻射外，其余能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層之中，不向圍巖輻射，在煤槽中相互疊加、相互干涉，形成槽波，因?yàn)橹辉诿簩又袀鞑?，所以也稱為煤層波[7]。

槽波地震勘探可以用來探測(cè)煤層中分布的斷層、陷落柱等礦井生產(chǎn)隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，也可以用于探測(cè)煤層厚度及其變化，為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。槽波地震勘探方法分為透射法和反射法，也可以將二者聯(lián)合使用。透射法與反射法聯(lián)合使用就是分別采用透射法和反射法對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)和解譯，并綜合分析勘探成果，以期取得更好的槽波勘探效果，多用于地質(zhì)條件或施工條件較為復(fù)雜的測(cè)區(qū)。若測(cè)區(qū)范圍較大，可以采用分次施工，反射法和透射法可分開進(jìn)行，分別采用不同震源；若探測(cè)范圍較小，可以采用同時(shí)施工，同樣一條巷道布置檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)，另一條巷道布置檢波點(diǎn)，共同使用一個(gè)激發(fā)震源，可同時(shí)接收（圖1）。

圖1 透射/反射聯(lián)合勘探原理平面示意圖

此方法是利用透射炮點(diǎn)S2 到檢波點(diǎn)G 的射線，對(duì)斷層進(jìn)行透射觀測(cè)，用于估計(jì)與煤層厚度相比，斷層落差相對(duì)的大?。焕梅瓷渑邳c(diǎn)S1 到檢點(diǎn)G的反射射線，確定煤層內(nèi)斷層的位置和規(guī)模。

2 測(cè)區(qū)概況

觀音堂煤礦25050 工作面對(duì)應(yīng)地表位于馬頭山余脈南麓，為山脊坡地地貌，地面標(biāo)高+680～ +770m，等高線變化范圍較大，地面落差較大。25050 工作面位于25 采區(qū)軌道下山北翼，上臨25030 工作面采空區(qū)，下臨25070 工作面采空區(qū)，切眼臨近19090 工作面采空區(qū)下巷（圖2）。

圖2 25050 工作面平面位置圖

25050 工作面長約870m，寬約150～290m，埋深約600m，開采山西組二1 煤層，煤種屬焦煤，煤層厚度0～8.54m，平均3m，煤層賦存不穩(wěn)定。煤層傾角10～15°，平均13°。煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層偽頂為薄層狀泥巖，厚0～1.0m；老頂為大占砂巖，厚10～18m。直接底板為泥巖、泥砂巖互層，厚1.0～3.6m；老底為片狀細(xì)砂巖，厚20～30m。工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜，煤層底板起伏不平，上、下巷外段基本沿向斜一側(cè)走向布置，巷道掘進(jìn)向里逾接近向斜軸部，受向斜影響，煤巖層產(chǎn)狀不穩(wěn)定，斷層發(fā)育，斷層走向多與工作面走向平行。工作面中小型斷層發(fā)育，以正斷層為主。25050 工作面上巷與25030 工作面下巷間距40m，中加DF2 斷層，工作面外段處于DF2 斷層下盤，DF2 斷層呈尖滅趨勢(shì)，25050 上巷掘進(jìn)260m 后DF2 斷層尖滅，巷道變方向進(jìn)入斷層上盤。其余斷層落差較小。

截至地震槽波勘探時(shí)，25050 工作面剩余約280m。剩余區(qū)段構(gòu)造復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定。據(jù)巷道揭露顯示，上巷里段存在120m 煤厚小于1.5m 的薄煤區(qū)，切眼發(fā)育兩條落差大于4m 的正斷層，兩條斷層形成地壘構(gòu)造，造成采場中部60m 范圍煤層被抬升至頂部，需破底推進(jìn)，嚴(yán)重影響工作面的正?；夭珊驮浩焚|(zhì)。為了探測(cè)切眼揭露2 條斷層向工作面內(nèi)部的延伸、落差變化情況，擬開展地震槽波勘探，為礦井進(jìn)行工作面改造提供科學(xué)依據(jù)（圖3）。

圖3 25050 工作面切眼地質(zhì)素描圖

3 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工

25050 工作面外段煤層賦存不穩(wěn)定，構(gòu)造復(fù)雜。為取得更為理想的勘探效果，本次勘探采用透射法與反射法相結(jié)合的探測(cè)方法，對(duì)切眼揭露斷層向工作面內(nèi)部的延伸情況進(jìn)行探測(cè)。由于切眼所揭露的2 條斷層中，上方斷層距離上巷不足20m，為上巷探測(cè)盲區(qū)，因此，反射法勘探時(shí)將炮檢點(diǎn)間隔布置在工作面下巷，共設(shè)計(jì)施工炮孔27 個(gè)，孔距10m，檢波器孔28 個(gè)，孔距10m。透射法勘探在工作面上巷及切眼設(shè)計(jì)施工炮孔共36 個(gè)，孔距10m，與反射法共用檢波器孔（圖4）。本次槽波勘探工程實(shí)際施工炮點(diǎn)63 個(gè)，檢波點(diǎn)27 個(gè)，其中檢波點(diǎn)G3 為廢道，共采集1701 道地震數(shù)據(jù)。

圖4 25050 工作面槽波勘探觀測(cè)系統(tǒng)

4. 數(shù)據(jù)解譯

4.1 反射法數(shù)據(jù)解譯

槽波勘探數(shù)據(jù)反射槽波信號(hào)整體較弱，僅個(gè)別地震道反射震相清晰，給數(shù)據(jù)解譯帶來困難。但通過共中心點(diǎn)疊加技術(shù)，即把同一中心點(diǎn)的不同炮檢距射線數(shù)據(jù)經(jīng)正常時(shí)差校正后進(jìn)行迭加，既可提高信噪比突出反射震相。

槽波共中心點(diǎn)疊加圖成果圖（圖5）顯示，距上巷20～30m，沿工作面走向，存在一條反射震相（紅色虛線），延展長度約130m，清晰度和連續(xù)性欠佳，結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)此反射界面為切眼揭露斷層向工作面內(nèi)部的延伸。根據(jù)實(shí)揭資料，切眼中部還發(fā)育一條落差大于4m 的正斷層，但在共中心點(diǎn)疊加剖面中，沿?cái)鄬幼呦?，未得到明顯的反射界面，推測(cè)該條斷層未向工作面內(nèi)部延伸，或延伸距離較短。

4.2 透射法數(shù)據(jù)解譯

25050 工作面設(shè)計(jì)測(cè)線1108 條，實(shí)際施工測(cè)線972 條，拾取有效測(cè)線297 條。選取185Hz 進(jìn)行槽波速度層析成像，得到槽波速度分布圖（圖6）。槽波速度分布圖顯示：槽波速度范圍750～1450m/s，其中波速大于1300m/s 的槽波高速區(qū)位于未回采區(qū)域里段的中上部，面積較大。根據(jù)波速與煤厚的關(guān)系，結(jié)合巷道實(shí)際揭露的煤厚、構(gòu)造等資料，綜合分析，此高速區(qū)存在一條斷層或多條斷層，也可能為煤層薄化區(qū)。

圖5 25050 工作面反射槽波共中心點(diǎn)疊加圖

圖6 25050 工作面透射槽波速度分布圖

5 成果驗(yàn)證

經(jīng)回采驗(yàn)證，靠近上巷斷層向工作面內(nèi)部延伸范圍約為146m，切眼中部斷層未向工作面內(nèi)部延伸，反射法解譯結(jié)果中預(yù)測(cè)延伸距離約為130m。透射法解譯結(jié)果中槽波高速區(qū)域?yàn)槊簩颖』?，回采過程中未揭露斷層。地震槽波勘探成果與實(shí)際回采揭露一致性較好。

6 結(jié)論

地震槽波勘探手段能夠用于斷層探測(cè)，探測(cè)效果較好，經(jīng)回采驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。在煤厚變化較大、構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，采用透反射聯(lián)合探測(cè)的方法，并在成果解譯過程中充分結(jié)合已揭露的地質(zhì)資料，便能夠取得更為理想的探測(cè)效果。地震槽波勘探作為井下物探手段，目前，在煤厚、斷層和陷落柱等方面的探測(cè)技術(shù)已較為成熟，探測(cè)結(jié)果可靠，能夠很好為礦井安全高效回采提供科學(xué)依據(jù)。未來，應(yīng)著重開展圍繞影響瓦斯、沖擊地壓和水害等致災(zāi)因素的探測(cè)試驗(yàn)，以期在煤礦災(zāi)害防治的物探保障方面能夠發(fā)揮更大的作用。