地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域開采槽波物探技術(shù)探索與應(yīng)用

喬瑤峰

(鄭煤集團(tuán) 白坪煤業(yè)公司，河南 登封 452470)

白坪煤業(yè)公司煤厚變化較大，是制約生產(chǎn)的主要地質(zhì)致災(zāi)因素，以往采用了諸多物探方法，受各種條件制約，均不能有效查明煤層厚度變化情況。為此，白坪煤業(yè)公司地測(cè)科技術(shù)人員經(jīng)過系統(tǒng)分析、充分論證，采用槽波地震探測(cè)技術(shù)來查明煤礦21071工作面內(nèi)煤層厚度變化情況，為工作面順利回采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 工作面概況

21071工作面位于礦井西北部，北鄰箕F87305∠60°H=0～30 m正斷層，走向長(zhǎng)度約760 m，傾向?qū)挾燃s185 m，開采二1煤層，受箕F87斷層的影響，該工作面為一不規(guī)則的多邊形。受豫西滑動(dòng)構(gòu)造影響，煤層厚度變化劇烈，據(jù)運(yùn)輸巷實(shí)際揭露，煤層厚度最薄處為0.5 m，最厚處為9.2 m。煤層底板產(chǎn)狀為320°～345°∠8°～20°。

2 工作面地球物理特征分析

21071工作面煤層與圍巖的物性(密度、速度)具有一定的差異，故煤層與圍巖的波阻抗有一定差異。煤層與圍巖間的界面能夠呈現(xiàn)為地震波反射面，有利于槽波在煤層中傳播，且工作面寬度在槽波可傳播的最大距離之內(nèi)[1-5]，這也保證了槽波能量衰減較小。

3 工程布置及施工方法

為了查明21071工作面內(nèi)煤厚變化情況，在充分研究相關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作面巷道的實(shí)際情況，測(cè)線沿21071工作面聯(lián)巷、運(yùn)輸巷、切眼、回風(fēng)巷布置。采用全排列采集方案最大限度地接收有效數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地布設(shè)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)[6]，檢波點(diǎn)每10 m布設(shè)1個(gè)，炮點(diǎn)每20 m布設(shè)1個(gè)。具體布置情況見表1。

表1 21071工作面槽波探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Tab.1 Survey point layout of groove wave detection in 21071 working face

在實(shí)際施工中，檢波器對(duì)接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；炮孔深2.5 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg。檢波器和炮孔高度距巷道底板約1.5 m。每個(gè)激發(fā)點(diǎn)放炮，所有的接收點(diǎn)均能接收。數(shù)據(jù)采集的采樣間隔為0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 s。

4 槽波數(shù)據(jù)處理

4.1 波場(chǎng)類型和速度分析

以21071工作面S37炮為例進(jìn)行初步分析(圖1)，S37單炮記錄中顯示3組波，最先到達(dá)的是來自圍巖的折射縱波，隨后是來自圍巖的折射橫波，最后到達(dá)的能量團(tuán)是槽波[7-10]。由于槽波較強(qiáng)，折射縱波和橫波反應(yīng)較弱。實(shí)際采集數(shù)據(jù)中包含較高的噪聲，經(jīng)頻譜分析，噪聲成分主要分布在90 Hz以下。為了壓制圍巖折射縱波、折射橫波，提高槽波的信噪比，對(duì)該工作面采集的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波，可以明顯看到濾波處理后槽波能量變強(qiáng)，波形特征明顯(圖2)。利用濾波后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行CT成像[10-17]等處理作業(yè)。

圖1 S37炮濾波前數(shù)據(jù)Fig.1 Data before filtering of S37 gun

圖2 S37炮濾波后數(shù)據(jù)Fig.2 Filtered data of S37 gun

4.2 頻散分析

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化，通過軟件計(jì)算出的Love型槽波的頻散特征[2，18]如圖3所示。從圖3中可看出，煤厚4.5 m的埃里相在110 Hz附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。實(shí)際數(shù)據(jù)中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲成分主要分布在0～90 Hz，對(duì)此次數(shù)據(jù)處理影響不大。

圖3 21071工作面Love型槽波頻散特征Fig.3 Dispersion characteristics of Love in-seam waves on working face 21071

4.3 透射槽波成像

21071工作面S37炮激發(fā)的單炮記錄如圖4所示。其中，S37炮記錄中左側(cè)槽波能量較強(qiáng)，右側(cè)槽波能量較弱，尤其是在R164附近槽波能量突然變?nèi)?，說明S37激發(fā)的槽波在向R164及更大號(hào)的接收點(diǎn)傳播時(shí)，在射線路徑上遇到了異常地質(zhì)體阻擋或者煤層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而造成能量較小，為典型的槽波能量異常，有疑似斷層發(fā)育。

圖4 21071工作面S37炮記錄槽波數(shù)據(jù)異常對(duì)比Fig.4 Abnormal comparison of groove wave data recorded by S37 gun in 21071 working face

4.4 成像結(jié)果的分析與解釋

21071工作面采集的資料中槽波數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)良，說明在該礦的地質(zhì)條件下，槽波是發(fā)育的。在回風(fēng)巷R164—R190和運(yùn)輸巷R74—R84，透射槽波能量較弱，說明在槽波的傳播路徑上遇到了遮擋，使得透射槽波的能量降低[18]。尤其是在R164—R177，槽波穿透性很差，衰減嚴(yán)重，說明此段區(qū)域內(nèi)異常發(fā)育，存在劇烈的煤厚變化或其他地質(zhì)異常。

結(jié)合單炮數(shù)據(jù)對(duì)成像結(jié)果中的各個(gè)異常區(qū)域進(jìn)行分析，第114—164道槽波能量較強(qiáng)，其余區(qū)域能量較弱。R114道、R164道與S95炮形成的射線在成像圖中的對(duì)應(yīng)位置如圖5所示，圖5中深黑色線條為透射槽波的時(shí)距曲線[19]。

圖5 S95炮反射槽波記錄Fig.5 In-seam wave recording of S95 gun reflection

單炮記錄上，R114—R163槽波能量較強(qiáng)，說明槽波在這2條射線之間透射穿過工作面時(shí)，未遇較強(qiáng)異常構(gòu)造的阻擋。因此，在這2條射線之間的區(qū)域內(nèi)應(yīng)不存在較大的異常構(gòu)造。以R164為界，槽波能量差異很大，在向R164及更大號(hào)的接收點(diǎn)傳播時(shí)，槽波能量很弱，說明槽波在傳播過程中遇較強(qiáng)異常構(gòu)造的阻擋。

4.5 綜合地質(zhì)解釋成果

此次21071工作面槽波探測(cè)共解釋二1煤煤層變薄區(qū)3個(gè)和1個(gè)落差2.4 m的正斷層，分述如下。

(1)1號(hào)變薄區(qū)。位于工作面內(nèi)靠近回風(fēng)巷、距離聯(lián)巷約230 m，根據(jù)反演結(jié)果，該煤層變薄區(qū)內(nèi)，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(2)2號(hào)變薄區(qū)。位于導(dǎo)線點(diǎn)下19和導(dǎo)線點(diǎn)上17之間，且向運(yùn)輸巷延伸，根據(jù)反演結(jié)果，該煤層變薄區(qū)內(nèi)，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(3)3號(hào)變薄區(qū)。位于工作面內(nèi)靠近運(yùn)輸巷、距離切巷約160 m，根據(jù)反演結(jié)果，該煤層變薄區(qū)內(nèi)，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(4)4號(hào)異常構(gòu)造點(diǎn)。位于工作面內(nèi)靠近運(yùn)輸巷、距離切巷約257 m，根據(jù)反演結(jié)果，該異常構(gòu)造區(qū)內(nèi)槽波異常阻擋明顯，煤層厚度突變，煤層底板落差約2.4 m。該異常在CACT成像[19-20](圖6)中反映非常明顯。

圖6 21071工作面CACT成像結(jié)果Fig.6 CACT imaging results of the 21071 working face

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

依據(jù)探測(cè)分析，查清了工作面煤層賦存變化規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，優(yōu)化了構(gòu)造探測(cè)及瓦斯治理鉆孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造發(fā)育區(qū)、瓦斯富積區(qū)超前治理，薄、厚煤區(qū)分區(qū)治理；加快了地質(zhì)災(zāi)害和瓦斯治理進(jìn)度，降低了瓦斯治理對(duì)生產(chǎn)的影響。減少構(gòu)造探測(cè)和瓦斯鉆孔治理工程12 000 m，直接經(jīng)濟(jì)效益約252.7萬(wàn)元。

6 結(jié)論

通過槽波探測(cè)試驗(yàn)，對(duì)白坪煤業(yè)公司地質(zhì)致災(zāi)因素與煤厚賦存變化等規(guī)律進(jìn)行了初步研究，為解決礦井后期在復(fù)雜地質(zhì)條件下開采、實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害超前治理提供了新的解決問題思路和工程實(shí)例。同時(shí)，評(píng)價(jià)了槽波探測(cè)技術(shù)在白坪井田的適用性，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用和可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。