基于地震槽波的致災(zāi)地質(zhì)因素探測(cè)技術(shù)

金明方，張高青，徐 錕，姚小帥，趙紅利

（1.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié)551700；2.河南能源化工集團(tuán)研究總院有限公司,河南 鄭州450000）

目前我國(guó)煤炭生產(chǎn)逐步向縱深發(fā)展，煤層埋藏深度越來(lái)越大，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致瓦斯異常涌出、煤與瓦斯突出、突水和沖擊地壓事故頻發(fā)[1-3]。其中煤層厚度變化和斷層對(duì)瓦斯及突水災(zāi)害的控制作用較為明顯。新安煤田屬于三軟煤層，煤質(zhì)松軟、透氣性差、煤厚變化大，所屬礦井面臨嚴(yán)重的瓦斯和突水危險(xiǎn)，對(duì)其致災(zāi)地質(zhì)因素的準(zhǔn)確探查成為災(zāi)害治理的關(guān)鍵[4-6]。相較于其他物探手段，地震槽波勘探技術(shù)對(duì)煤層厚度和斷層的探測(cè)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)[7-9]，為此，通過(guò)義煤公司義安礦業(yè)二111061 工作面地震槽波勘探，對(duì)該工作面煤層厚度和構(gòu)造情況進(jìn)行了探查，為瓦斯和水害治理提供了依據(jù)。

1 工作面概況

義安礦業(yè)隸屬于河南能源化工集團(tuán)義煤公司，是該公司主力生產(chǎn)礦井之一，系煤與瓦斯突出礦井。井田處于新安煤田深部，位于新安向斜的一翼，屬于單斜構(gòu)造，煤層平均傾角6°，傾向135°，一水平平均埋深超過(guò)600 m。義安礦業(yè)比鄰新安煤礦、孟津煤礦和新義煤礦，礦井核定生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，主采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組二1 煤。義安礦業(yè)11061回采工作面為走向長(zhǎng)壁回采工作面，走向長(zhǎng)度450 m、傾向長(zhǎng)度135 m，煤厚0.3～8.5 m，平均4.45 m。11061 工作面二1 煤層為粉末狀，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面?zhèn)雾敒樘抠|(zhì)泥巖，局部發(fā)育；直接頂板砂質(zhì)泥巖，厚度約4.4 m；基本頂為中粒砂巖，即大占砂巖，厚度約為15 m。二1 煤層的直接底為粉-細(xì)砂巖夾薄層泥巖，厚度約為7 m，基本底為L(zhǎng)7 灰?guī)r。

2 致災(zāi)地質(zhì)因素

1）煤層厚度變化致災(zāi)因素。新安煤田受到新安向斜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響產(chǎn)生大規(guī)模的層間滑動(dòng)，煤層由于頂、底板順層剪切滑動(dòng)作用造成煤層厚度發(fā)生較大變化，整體煤層厚度變化不具有規(guī)律性。由于新安煤田為三軟煤層，二1 煤層和其頂?shù)装宓能泿r組合在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，形成大量層間小褶皺，塑性流變導(dǎo)致煤層厚度在局部變化更加復(fù)雜和劇烈，工作面內(nèi)部煤層變化較大，且極為頻繁；巨大的順層剪切應(yīng)力對(duì)二 1 煤層和煤層頂?shù)装逶斐闪藙×移茐?，?dǎo)致新安煤田形成了全層構(gòu)造煤[10-11]。煤厚變化導(dǎo)致局部應(yīng)力變化示意圖如圖1。煤層為塑性軟巖，本身對(duì)瓦斯具有封閉和吸納作用，煤層厚度對(duì)瓦斯含量具有明顯的控制作用；而煤層厚度變化會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力發(fā)生明顯變化，疊加構(gòu)造煤影響，致使新安煤田局部地區(qū)極易發(fā)生瓦斯異常涌出和煤與瓦斯突出事故。而義安礦業(yè)位于新安煤田深部，因此所受瓦斯災(zāi)害更為嚴(yán)重。

圖1 煤厚變化導(dǎo)致局部應(yīng)力變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of local stress change caused by coal thickness change

2）斷層致災(zāi)因素。斷層破壞了煤巖層的完整性，導(dǎo)致煤層和頂?shù)装迤扑?，若存在大型斷層可溝通奧灰承壓含水層，易發(fā)生承壓水導(dǎo)升現(xiàn)象。對(duì)于義安礦業(yè)三軟煤層，斷層較為發(fā)育，且斷層形式往往是頂斷底不斷或底斷頂不斷，造成煤層厚度發(fā)生劇烈變化；斷層改變了區(qū)域應(yīng)力情況，特別是在尖滅端，易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，針對(duì)義安礦業(yè)具體情況，斷層是導(dǎo)致頂?shù)装迨鹿?、水害事故和瓦斯?zāi)害的重要因素之一。

3 11060 工作面地震槽波勘探

3.1 地震槽波頻散特征

地震槽波是一種特殊的地震波，僅在煤層中激發(fā)和傳播，地震波中的水平極化S 波相互干涉形成勒夫波，水平極化S 波和P 波相互干涉形成瑞利波，兩者統(tǒng)稱為槽波[12]。目前利用最為廣泛的是勒夫型槽波。槽波因只在煤層中傳播，具有傳播距離遠(yuǎn)、攜帶信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)和頻散特征明顯等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。地震槽波的頻散特征導(dǎo)致其傳播速度受到頻率和煤層厚度的影響，Love 型槽波頻散曲線圖如圖2。因此可利用此特性，對(duì)槽波進(jìn)行傅里葉變換，在頻率域中選擇合適的頻率，通過(guò)波速提取并與煤層厚度擬合而對(duì)煤層厚度進(jìn)行探測(cè)[14-15]。

圖2 Love 型槽波頻散曲線圖Fig.2 Dispersion curves of Love groove wave

3.2 設(shè)計(jì)施工和數(shù)據(jù)采集

采用透射法對(duì)11061 工作面進(jìn)行探測(cè)，在11061 運(yùn)輸巷上幫設(shè)計(jì)檢波孔22 個(gè)，間距20 m；在軌道巷下幫設(shè)計(jì)炮孔36 個(gè)，間距10 m，11061 工作面地震槽波勘探設(shè)計(jì)圖如圖3。震源激發(fā)采用一段雷管和礦用乳化炸藥，單孔藥量為200 g。共采集有效激發(fā)點(diǎn)34 個(gè)，檢波點(diǎn)22 個(gè)。

圖3 11061 工作面地震槽波勘探設(shè)計(jì)圖Fig.3 Seismic trough wave exploration design drawing of 11061 working face

3.3 成果解譯

共采集槽波數(shù)據(jù)748 個(gè)，經(jīng)過(guò)辨識(shí)和分析，共提取有效槽波數(shù)據(jù)696 道。根據(jù)理論頻散曲線的分析，該工作面煤層厚度情況下選擇125 Hz 頻率提取數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行CT 成像[16]，獲得槽波波速圖；將槽波波速豫巷道實(shí)際揭露煤厚情況進(jìn)行擬合，確定波速超過(guò)1 900 m/s 區(qū)域煤厚大于3 m，波速在1 300 ～1 900 m/s 區(qū)域煤厚在3～5 m，波速小于1 300 m/s區(qū)域煤厚大于5 m。通過(guò)對(duì)有效槽波分布情況進(jìn)行分析，探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)較大空白帶，判斷工作面內(nèi)部不存在大于1/2 煤厚的斷層。11061 工作面地震槽波波速圖和煤厚擬合圖如圖4。

圖4 11061 工作面地震槽波波速圖和煤厚擬合圖Fig.4 Wave velocity map and coal thickness fitting map of seismic trough in working face 11061

4 回采驗(yàn)證及應(yīng)用效果

目前該工作面已經(jīng)回采結(jié)束，通過(guò)對(duì)回采煤厚數(shù)據(jù)的采集，繪制了煤層厚度分布圖，與探測(cè)結(jié)果較為一致，11061 工作面地震槽波勘探成果與實(shí)際煤厚對(duì)比圖如圖5。工作面回采過(guò)程中最大斷層落差為2.2 m，未大于1/2 煤厚，與探測(cè)結(jié)果一致。

圖5 11061 工作面地震槽波勘探成果與實(shí)際煤厚對(duì)比圖Fig.5 Comparison of seismic trough wave exploration results and actual coal thickness in working face 11061

在回采過(guò)程中，礦方根據(jù)勘探結(jié)果編制了月生產(chǎn)計(jì)劃，并以此為依據(jù)控制回采速度，保證了礦井煤炭生產(chǎn)的穩(wěn)定。根據(jù)煤層厚度分布情況，針對(duì)厚煤區(qū)采取了加密本煤層瓦斯抽放措施，在回采過(guò)程中未發(fā)生較大的瓦斯異常涌出事故。

5 結(jié) 語(yǔ)

新安煤田受到嚴(yán)重的瓦斯和水害影響，煤層厚度變化和斷層是其主要致災(zāi)地質(zhì)因素。通過(guò)對(duì)11061 工作面地震槽波勘探可知，該技術(shù)可以有效地對(duì)煤層厚度和斷層進(jìn)行探查，礦方可以此為依據(jù)編制生產(chǎn)計(jì)劃并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域采取相應(yīng)的差異化局部瓦斯治理措施，確保礦井安全高效生產(chǎn)。