準(zhǔn)備工作面走向斷層探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

王海波 魏著霖 焦 陽 竇文武

(1.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西省呂梁市，033303；2.山西三晉華易礦井技術(shù)服務(wù)有限公司，山西省太原市，030006；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，山西省晉城市，048006)

隨著我國(guó)煤礦開采強(qiáng)度的加大、開采深度的增加，陷落柱、斷層等復(fù)雜構(gòu)造對(duì)工作面的回采影響巨大，特別是走向斷層的發(fā)育，嚴(yán)重影響準(zhǔn)備工作面的巷道布置和采掘銜接。如果無計(jì)劃地揭露走向斷層，不但會(huì)造成采掘工作面大范圍冒頂、片幫，還可能引發(fā)瓦斯突出、突水等事故，還會(huì)造成不可估量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，對(duì)煤礦準(zhǔn)備工作面走向斷層的精準(zhǔn)探測(cè)十分重要。

對(duì)比以往工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的眾多方法，如三維地震勘探[3]、無線電波透視[4-5]和鉆探[6]等，槽波地震勘探具有探測(cè)精度高、探測(cè)距離大、抗干擾能力強(qiáng)、解釋成果直觀等優(yōu)勢(shì)，特別是槽波反射法勘探，可利用單一巷道對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行不同波阻抗介質(zhì)的界面探測(cè)，理論上對(duì)走向斷層反應(yīng)靈敏[7-8]。因此，擬選用槽波反射法勘探，對(duì)研究區(qū)域的準(zhǔn)備工作面進(jìn)行走向斷層的精確探測(cè)，用以指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

1 槽波反射法勘探原理

在地質(zhì)剖面中，煤層是典型的低速帶，在物理上構(gòu)成“導(dǎo)波”，當(dāng)煤層中激發(fā)一個(gè)震動(dòng)時(shí)，由于頂?shù)装鍘r性不同，激發(fā)的部分能量被禁錮在煤層中，不向周圍巖層輻射，在煤層中相互干涉、疊加，形成一個(gè)強(qiáng)的擾動(dòng)，即槽波。

槽波地震勘探方法分為透射法和反射法，槽波反射法是將炮點(diǎn)和接收點(diǎn)布置在同一巷道，當(dāng)震源激發(fā)后，地震波以球面形式向外擴(kuò)散，遇到波阻抗不同的2種介質(zhì)界面后，發(fā)生反射，被檢波器接收，經(jīng)過后期處理得到反射界面的位置和延伸長(zhǎng)度，如圖1所示。另外，槽波反射法勘探適用于槽波艾里相頻率較高、槽波艾里相群速度較低的煤層中，特別是在槽波斷層探測(cè)應(yīng)用中，如果斷層走向與觀測(cè)系統(tǒng)軸線角度過大，或者斷層與探測(cè)測(cè)線距離較近，將會(huì)很大程度影響反射槽波的接收[9-13]，因此觀測(cè)系統(tǒng)的布置和槽波數(shù)據(jù)的處理十分重要。

圖1 槽波反射法勘探

2 2107準(zhǔn)備工作面觀測(cè)系統(tǒng)布置

2.1 探測(cè)區(qū)域概況

山西華晉吉寧煤業(yè)2107準(zhǔn)備工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1120 m，開切眼寬245 m，主采2號(hào)煤層，平均煤厚6.28 m，穩(wěn)定可采。目前，2107運(yùn)輸巷已掘進(jìn)到位，2107回風(fēng)巷掘進(jìn)245 m，距離三維地震勘探顯示的F7斷層(東西向，斷距8 m)約50 m，按照礦方巷道掘進(jìn)過程中正常的超前鉆探距離(約70 m)，本應(yīng)揭露的F7斷層并未在2107回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面被探測(cè)到。因此，為有效探明該斷層是否存在及其漂移情況，利用已形成的2107運(yùn)輸巷展開槽波地震反射法勘探及相關(guān)研究。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)布置

本次槽波反射法勘探采用德國(guó)DMT公司的Summit Ⅱ Ex防爆槽波地震儀[14]，測(cè)線長(zhǎng)度1110 m，在2107運(yùn)輸巷布置檢波器74個(gè)，檢波器間距15 m，布置反射炮孔75個(gè)，炮孔間距15 m，單孔炸藥量為200 g，炮檢距為7.5 m，如圖2所示。

圖2 2107準(zhǔn)備工作面槽波地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

另外，考慮到槽波反射法探測(cè)的單炮記錄中，直達(dá)槽波與直達(dá)縱波和直達(dá)橫波難以區(qū)分，無法精確計(jì)算槽波速度，特在2107回風(fēng)巷布置6個(gè)透射炮孔，炮間距15 m，通過槽波透射法探測(cè)單炮記錄得到區(qū)域內(nèi)槽波速度，為后期的數(shù)據(jù)處理和分析提供依據(jù)。

3 2107準(zhǔn)備工作面槽波數(shù)據(jù)處理

槽波反射數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是通過提高原始地震記錄的信噪比，并從中提取與解釋目標(biāo)相關(guān)的參數(shù)和信息，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算，以此判別異常體的位置和延展范圍。

3.1 典型反射炮單炮記錄

第74炮共炮點(diǎn)道集如圖3所示。從第74炮的槽波記錄可以看出，震源激發(fā)后，直達(dá)槽波沿煤壁最先到達(dá)接收點(diǎn)，且與檢波器距離呈線性關(guān)系，反射槽波在遇到波阻抗界面后，被檢波器滯后接收，滯后時(shí)間約為530～1080 ms，而反射槽波的存在間接證明了區(qū)域內(nèi)異常的存在。

圖3 第74炮共炮點(diǎn)道集

3.2 典型反射炮頻散、頻譜分析

通過本次采集到的反射槽波數(shù)據(jù)分析可知，探測(cè)區(qū)域槽波發(fā)育良好，頻散特征明顯[15-17]，典型反射炮(第74炮)的頻散曲線如圖4所示，可以看到槽波艾里相的主頻為140 Hz；典型反射炮(第74炮)的頻譜分析如圖5所示，可以看到槽波頻譜區(qū)間在115～150 Hz，主頻也為140 Hz，與頻散分析結(jié)果一致。另外，結(jié)合透射槽波數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的偏移距關(guān)系，計(jì)算得到探測(cè)區(qū)域槽波速度為1100 m/s。

3.3 槽波反射法處理結(jié)果

2107準(zhǔn)備工作面的槽波數(shù)據(jù)處理利用SPW軟件完成，主要流程包括數(shù)據(jù)載入、觀測(cè)系統(tǒng)添加、延時(shí)校正、道內(nèi)均衡、道間平衡、濾波、動(dòng)校正、包絡(luò)疊加、時(shí)深轉(zhuǎn)換和相移偏移[18]，追蹤到反射同相軸后，結(jié)合地質(zhì)資料分析構(gòu)造類型。

圖4 槽波頻散曲線

圖5 槽波頻譜分析

本次槽波反射法勘探成果主要包括CBF1、CBF2和CBF3共3處異常界面，如圖6所示。

(1)CBF1。該異常走向近東西，延展長(zhǎng)度約440 m，在2107準(zhǔn)備工作面內(nèi)的延伸長(zhǎng)度約185 m，推斷為三維地震勘探成果中F7斷層的漂移。

(2)CBF2。該異常走向近東西，延展長(zhǎng)度約480 m，推斷為三維地震勘探成果中F5斷層的漂移。

(3)CBF3。該異常走向近東西，延展長(zhǎng)度約245 m，與2107回風(fēng)巷的已掘長(zhǎng)度吻合程度較高，推斷為空巷反應(yīng)。

需要說明的是，本次探測(cè)的部分大號(hào)炮點(diǎn)(近切眼處)由于現(xiàn)場(chǎng)條件不具備，缺失9炮，因此，探測(cè)成果靠切眼段150 m范圍的可靠程度不高，CBF1和CBF2在此區(qū)域的延伸范圍未能準(zhǔn)確查明。

圖6 2107準(zhǔn)備工作面槽波反演成果

4 2107準(zhǔn)備工作面探采對(duì)比

為驗(yàn)證本次槽波反射法勘探成果的準(zhǔn)確性，礦方分別在2107回風(fēng)巷距2107工作面切眼540 m和465 m處布置1號(hào)鉆場(chǎng)和2號(hào)鉆場(chǎng)施工驗(yàn)證孔，其中，1-1號(hào)和2-1 號(hào)鉆孔分別于距1號(hào)鉆場(chǎng)和2號(hào)鉆場(chǎng)27 m和17 m處揭露斷層JNF7斷層，與探測(cè)成果近乎吻合，位置偏差2～3 m；1-2號(hào)和2-2號(hào)鉆孔分別于距1號(hào)鉆場(chǎng)和2號(hào)鉆場(chǎng)42 m和54 m處揭露斷層JNF5，與探測(cè)結(jié)果近乎吻合，位置偏差3～5 m。此外，2107回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，在距離工作面切眼885 m處揭露斷層JNF7，推測(cè)揭露位置偏差7 m。2107準(zhǔn)備工作面探采對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 2107準(zhǔn)備工作面探采對(duì)比結(jié)果

綜上所述，本次槽波反射法勘探效果良好，斷層構(gòu)造的準(zhǔn)確探測(cè)，能有效指導(dǎo)礦方的采掘銜接。礦方通過在2107回風(fēng)巷重新開拓巷道甩開斷層，保證了2107工作面的安全回采，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，另外，2107回風(fēng)巷已掘巷道的準(zhǔn)確反應(yīng)，側(cè)面證明了槽波地震反射法探測(cè)空巷的可行性，對(duì)后期地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)和解釋具有一定的意義。

5 結(jié)論

(1)本次槽波反射法勘探確定了山西華晉吉寧煤業(yè)2107準(zhǔn)備工作面的槽波速度約1100 m/s，槽波頻譜區(qū)間在115～150 Hz，主頻為140 Hz，可以為井田內(nèi)其他區(qū)域的槽波地震勘探提供一些基礎(chǔ)的指標(biāo)和參數(shù)。

(2)2107準(zhǔn)備工作面的槽波反射法成功探測(cè)出2條走向斷層，效果良好，不但糾正了三維地震勘探成果的誤差，而且有效指導(dǎo)了礦方的采掘銜接，保證了工作面的安全回采，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(3)2107回風(fēng)巷已掘巷道的準(zhǔn)確反應(yīng)側(cè)面證明了槽波地震反射法探測(cè)空巷的可行性，對(duì)后期地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)和解釋具有一定的意義。