槽波地震勘探技術(shù)在采煤工作面構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

張國(guó)恩

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017205）

西部是我國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭產(chǎn)量占我國(guó)70%左右，并且隨著中東部煤炭開(kāi)采逐步進(jìn)入深部，開(kāi)采條件愈來(lái)愈復(fù)雜，比例還將不斷上升[1-2]。目前，西部礦區(qū)煤炭開(kāi)采工作面以綜合機(jī)械化開(kāi)采為主，建成神東礦區(qū)、寧東基地等大規(guī)模高強(qiáng)度煤炭集中開(kāi)采區(qū)域，煤炭安全綠色高效開(kāi)發(fā)是煤炭開(kāi)發(fā)的主流模式。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效開(kāi)采，開(kāi)展煤層地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化勘探，有助于減少安全隱患，為確定工作面開(kāi)采工藝和參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。不同學(xué)者針對(duì)工作面構(gòu)造探測(cè)，開(kāi)展了不同的技術(shù)研究，包括無(wú)線電波透視技術(shù)、電磁波CT 探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、等綜合物探等技術(shù)，并成功于工程實(shí)踐[3-9]。近年來(lái)，由于槽波地震勘探技術(shù)具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識(shí)別以及成果直觀的優(yōu)點(diǎn)，在斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常探測(cè)，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[10-12]。但是由于各個(gè)煤礦所處區(qū)域不同，煤層賦存地質(zhì)條件和構(gòu)造差別太大，采用槽波地震勘探技術(shù)探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際，制定可行的勘探工藝，確定科學(xué)合理的參數(shù)，以確?？碧匠晒弦?。

以烏蘭木倫礦12404 工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)工程為研究背景，全面分了12404 工作面地質(zhì)資料，提出采用槽波地震勘探技術(shù)對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)槽波地震工程布置方案，對(duì)工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋?zhuān)玫綌鄬拥鹊刭|(zhì)構(gòu)造情況和參數(shù)，為工作面安全高效開(kāi)采提供了基礎(chǔ)支撐。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波形成和類(lèi)型

煤層間波導(dǎo)現(xiàn)象是Evison 于1955 年在新西蘭煤礦首次發(fā)現(xiàn)，1963 年德國(guó)人Krey 分別從理論和實(shí)踐應(yīng)用方面證明了煤層中槽波的存在，槽波傳播時(shí)會(huì)形成有限的幾種模式，具有很強(qiáng)的頻散特性。

在含煤地層中，煤層速度和密度均低于頂?shù)装鍑鷰r，因此煤層與圍巖界面，一般呈現(xiàn)良好的反射面。在煤層中激發(fā)地震波，所激發(fā)的縱波、橫波均以震源為中心，以球面體波形式向四周傳播，并以不同的角度入射到頂?shù)装褰缑?，槽波形成原理示意圖如圖1。

圖1 槽波形成原理示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of channel wave formation

當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，大部分能量將透射到圍巖之中，只有少部分能量反射回到煤層中，返回到煤層中的能量，在煤層中來(lái)回多次反射、透射而迅速衰減（漏失模式）；當(dāng)入射角大于等于臨界角時(shí)，則入射到頂、底板界面的地震波能量將全反射回到煤層，并在煤層中多次反射，最后禁錮在煤層之中（正常模式）。在煤層這個(gè)低速槽內(nèi)向外擴(kuò)散傳播，其中上行、下行波在煤層中相互干涉、迭加，多數(shù)諧波成分相互抵消，削弱，而逐漸消失；只有滿足一定條件的各種諧波，在槽內(nèi)相長(zhǎng)干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內(nèi)不斷向前傳播，形成了槽波（煤層波）。

由于不同體波干涉，形成的槽波具有不同特點(diǎn)，將槽波分為2 種，槽波基本類(lèi)型及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)如圖2。

圖2 槽波基本類(lèi)型及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)Fig.2 The types of channel wave formation and particle vibration

1）瑞利型槽波（R 波）：由P 波與SV 波相互干涉形成，其質(zhì)點(diǎn)是在垂直于煤層，包含射線的平面內(nèi)作橢圓形逆行極化。

2）勒夫型槽波（L 波）：由SH 波干涉形成，其質(zhì)點(diǎn)是在平行于煤層平面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)作線性極化振動(dòng)。

槽波同散頻面波一樣，可以直觀地看成是平面體波在煤層與圍巖界面上多次反射、折射和規(guī)則干涉的結(jié)果。在煤層中激發(fā)出地震波時(shí)，槽波沿著圍巖-煤層-圍巖地層結(jié)構(gòu)傳播，其波長(zhǎng)與煤層厚度為同一數(shù)量級(jí)。由于圍巖與煤層的速度比和密度比不同，在煤層的垂直距離上，槽波振幅是不同，由于低速地震槽和其直接條件的限制，槽波的振幅隨著到震源距離的增加而產(chǎn)生衰減。

1.2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性，可以用于小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識(shí)別以及成果直觀的優(yōu)點(diǎn)，尤其在勘探精度和距離上優(yōu)于坑透等煤礦井下勘探方法，槽波透射法和反射法是目前應(yīng)用廣泛的2 種勘探方法。

1）槽波透射法。采用從震源透過(guò)煤層傳至接收點(diǎn)的直達(dá)槽波信號(hào)。激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在采區(qū)周?chē)煌锏纼?nèi)，根據(jù)槽波有無(wú)、強(qiáng)弱來(lái)判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無(wú)構(gòu)造異常，同時(shí)，通過(guò)對(duì)正常透射槽波的分析，為反射法數(shù)據(jù)處理及解釋提供參數(shù)等，勘探距離可達(dá)煤厚的幾百倍，實(shí)際勘探最大距離1 600 m。槽波透射法勘探示意圖如圖3。

圖3 槽波透射法勘探示意圖Fig.3 The exploration diagrammatic sketch of wave seismic transmission method

2）槽波反射法。該方法有效波是反射槽波信號(hào)。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差異）的分界面，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)。因此，識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)，最大優(yōu)點(diǎn)是可以在1 條煤巷中向兩側(cè)進(jìn)行小構(gòu)造的勘探。槽波透射法與槽波反射法是相輔相成的，聯(lián)合應(yīng)用效果較好。槽波反射法勘探示意圖如圖4。

圖4 槽波反射法勘探示意圖Fig.4 The exploration diagrammatic sketch of channel wave reflection method

1.3 地質(zhì)構(gòu)造的解釋與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

CT 技術(shù)是一種斷層掃描的技術(shù)，根據(jù)物體橫斷面的一系列投影數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到物體橫斷面的圖像，從而得到物體內(nèi)確切位置上的各物質(zhì)物性的信息。槽波地震CT 是通過(guò)分析、觀測(cè)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，獲得沿射線路徑上介質(zhì)物性信息的重要方法。根據(jù)不同的研究目的，利用人工地震也可以借助于天然地震來(lái)獲得不同條件地下介質(zhì)的分層或構(gòu)造圖像，用來(lái)分析不同地質(zhì)構(gòu)造。

1.3.1 斷層解釋和評(píng)價(jià)

1）斷層識(shí)別。根據(jù)透射槽波能量中斷、變?nèi)?，結(jié)合成像結(jié)果中條帶狀形特征識(shí)別斷層；也可通過(guò)反射槽波線型反射的出現(xiàn)來(lái)識(shí)別。

2）斷層相對(duì)落差的判定。斷層斷距大于煤層厚度時(shí)，煤層被完全斷開(kāi)，則槽波無(wú)法穿透到達(dá)另一盤(pán)，造成槽波能量的迅速衰減；當(dāng)斷層斷距小于煤厚但大于1/2 煤厚時(shí)，煤層沒(méi)有被完全斷開(kāi)，煤層的上下盤(pán)之間仍有煤層連接，能量衰減的越多，則斷層的斷距也越大；當(dāng)斷層斷距小于1/2 煤厚時(shí)，大部分槽波能夠穿透斷層，槽波的能量衰減較小，從中不易觀察到斷層的形態(tài)。

3）斷層控制程度評(píng)價(jià)。①可靠斷層：在單炮記錄、圖像上反映清晰的斷層；②較可靠斷層：在在單炮記錄、圖像上均有反映，但不夠清晰的斷層；③控制程度較差斷層：只在單炮或圖像上有反映，但不夠清晰的斷層。

1.3.2 陷落柱及其他地質(zhì)異常體

根據(jù)透射槽波能量中斷、變?nèi)酰Y(jié)合成像結(jié)果中圈閉狀特征識(shí)別陷落柱。也可通過(guò)反射槽波弧形短反射特征的出現(xiàn)來(lái)識(shí)別。陷落柱的控制程度分3種：可靠陷落柱、較可靠陷落柱、控制程度較差陷落柱，其評(píng)價(jià)方法與斷層評(píng)價(jià)方法相同。

結(jié)合勘探區(qū)實(shí)際情況，對(duì)巖漿巖巖墻、撓曲、采空區(qū)等其他地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象進(jìn)行解釋。根據(jù)其在單張圖像上的顯示特征，予以識(shí)別。其他地質(zhì)異常體的解釋與評(píng)價(jià)可參照斷層、陷落柱的解釋與評(píng)價(jià)方法。

2 工作面概況

烏蘭木倫礦12404 工作面走向長(zhǎng)度2 090 m，寬度290 m，工作面煤厚2.0～3.0 m，平均厚度2.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角1°～3°。煤層厚度變化較大，井田內(nèi)廣泛發(fā)育，屬于穩(wěn)定煤層，煤巖類(lèi)型為半暗型煤。煤層頂?shù)装鍘r石的質(zhì)量較好，巖體較完整，力學(xué)強(qiáng)度較低，以軟弱巖石為主，巖石穩(wěn)固性較差。

含煤地層是典型的層狀結(jié)構(gòu)，在垂直巖層方向上含煤地層之間的物性差異明顯。在含煤地層中，與圍巖相比煤層具有速度低、密度小的特點(diǎn)。煤層上下界面都是1 個(gè)極強(qiáng)的波阻抗分界面，并形成了以煤層為中心的低速波導(dǎo)層，煤層作為波導(dǎo)層對(duì)地震能量的致導(dǎo)水平在很大程度上決定于煤層與上下圍巖波阻抗的差異大小。

本次槽波探測(cè)區(qū)域?yàn)?2404 工作面切眼向主撤通道方向1 000 m 范圍，查明探測(cè)范圍內(nèi)落差≥1/2煤厚的斷層。通過(guò)探測(cè)該區(qū)域內(nèi)是否存在地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)工作面開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)，確保安全高效生產(chǎn)。

3 工作面槽波地震勘探工程實(shí)踐

3.1 工程布置和工作量

通過(guò)分析烏蘭木倫礦相關(guān)地質(zhì)資料，槽波勘探沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。經(jīng)過(guò)計(jì)算測(cè)試，采用全排列采集方案可最大限度地接收有效數(shù)據(jù)。槽波勘探測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)表1。

表1 槽波勘探測(cè)點(diǎn)布置Table 1 Arrangement of in-seam wave exploration points

1）接收點(diǎn)：采用10 m 接收道距，沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置，共布置接收點(diǎn)249 個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度2 480 m。

2）激發(fā)點(diǎn)：采用20 m 間距，沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置，孔深3 m，孔徑42 mm，共布置激發(fā)點(diǎn)129 個(gè)。

3.2 施工工藝

實(shí)際施工中，將檢波器對(duì)接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；孔深3 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg；每個(gè)激發(fā)點(diǎn)激發(fā)，所有的接收點(diǎn)均接收，數(shù)據(jù)采集采用西安研究院存儲(chǔ)式無(wú)纜遙測(cè)地震儀（YTZ-3），采樣間隔0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 s。

1）打孔要求和裝藥量。①?lài)?yán)格按照施工設(shè)計(jì)布置測(cè)點(diǎn)，紅色噴漆標(biāo)示激發(fā)點(diǎn)位，白色噴漆標(biāo)示接收點(diǎn)位，嚴(yán)格按照標(biāo)定點(diǎn)位，定點(diǎn)打孔；②鉆孔定位為巷道壁上方靠近頂板處，孔深3 m，孔徑42 mm，垂直于煤壁方向；③所有鉆孔在裝入炸藥之前都先將鉆孔中煤粉排除干凈，以便順利將炸藥裝到孔底；④每孔炸藥量0.3 kg，總炸藥量38.7 kg。

2）現(xiàn)場(chǎng)工程量。本次12404 工作面槽波地震勘探共采集槽波有效數(shù)據(jù)共129 個(gè)激發(fā)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)布設(shè)249 道，測(cè)線總長(zhǎng)度2 480 m，完成了設(shè)計(jì)工作量，采集數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)證全部合格。12404 工作面槽原始數(shù)據(jù)如圖5。通過(guò)對(duì)本次采集的原始資料進(jìn)行檢查，12404 工作面施工激發(fā)點(diǎn)檢測(cè)記錄表見(jiàn)表2，達(dá)到了本次探測(cè)的要求。

圖5 12404 工作面槽原始數(shù)據(jù)Fig.5 The channel wave data of 12404 coal mining face

表2 12404 工作面施工激發(fā)點(diǎn)檢測(cè)記錄表Table 2 Test record sheet for construction excitation points of 12404 working face

3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

槽波數(shù)據(jù)處理是對(duì)槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)學(xué)分析和計(jì)算，提高原始槽波數(shù)據(jù)的信噪比，并從中提取與解釋目標(biāo)有關(guān)的圖像及數(shù)據(jù)信息，提高槽波勘探的精度，識(shí)別異常體性質(zhì)及空間位置。

采用透射槽波及反射槽波相結(jié)合的方法分析處理，對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造情況進(jìn)行了解釋。通過(guò)綜合分析，本次工作面槽波勘探共解釋斷層4 條。12404 工作面斷層井下槽波探測(cè)構(gòu)造解釋圖如圖6。

槽波地震勘探數(shù)據(jù)解釋表明，烏蘭木倫礦12404 工作面含斷層4 條，并得到了斷層的走向及延展長(zhǎng)度。各斷層主要情況如下：

1）CF1斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y15 以西50 m位置向工作面內(nèi)延伸770 m，落差大于煤厚，走向NW，反射槽波及透射槽波探測(cè)均有明顯反應(yīng)，控制程度較為可靠。

2）CF2斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y13 延伸至輔運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04H21 以西20 m，落差大于煤厚，工作面內(nèi)延展長(zhǎng)度約310 m，走向NNE，在透射槽波探測(cè)中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

圖6 12404 工作面斷層井下槽波探測(cè)構(gòu)造解釋圖Fig.6 The channel wave data interpretation for 12404 mining face fault of Wulanmulun Coal Mine

3）CF3斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y20 以西30 m位置向工作面內(nèi)延伸200 m，與CF1斷層相交，落差大于煤厚，走向NNE，在透射槽波探測(cè)中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

4）CF4斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y19 以東50 m延伸至輔運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04H16 以東15 m，落差大于煤厚，工作面內(nèi)延展長(zhǎng)度約335 m，走向NNE，在透射槽波探測(cè)中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

本次勘探未發(fā)現(xiàn)其它地質(zhì)異常。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）采用采煤工作面槽波地震勘探技術(shù)，得到12404 工作面內(nèi)有4 條斷層，并無(wú)其他地質(zhì)異常構(gòu)造，進(jìn)一步分析得到4 條斷層的走向、落差、控制延展長(zhǎng)度和控制程度等具體參數(shù)。

2）槽波地震勘探解釋的得到的斷層的延展長(zhǎng)度僅是具有一定的不確定性，推測(cè)斷層的平面擺動(dòng)位置可能有存在偏差，在工作面回采過(guò)程中需要進(jìn)一步對(duì)對(duì)槽波解釋的斷層進(jìn)行回采驗(yàn)證。

3）由于12404 工作面煤層較薄，槽波地震勘探對(duì)小于1/2 煤厚斷層的反映不明顯，工作面內(nèi)還可能存在小于1/2 煤厚斷層，回采時(shí)仍需需要加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)。

4）在采掘生產(chǎn)過(guò)程中把槽波地震勘探解釋成果驗(yàn)證情況及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，以利于對(duì)槽波地震資料所反映的各種地質(zhì)信息進(jìn)行進(jìn)一步分析、研究，從而掌握本區(qū)的地質(zhì)規(guī)律，使資料解釋更加準(zhǔn)確可靠，更好地為礦井采掘生產(chǎn)服務(wù)。