槽波反射技術(shù)在厚煤層撓曲構(gòu)造探測(cè)的研究與實(shí)踐

杜 楠

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司 ，山西 長(zhǎng)治 046606）

0 引 言

山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣色頭鎮(zhèn)境內(nèi)，井田面積17.7 km2，生產(chǎn)能力1.50 Mt/a。目前開采15 號(hào)煤層，煤層厚度5 m 左右，因地質(zhì)構(gòu)造因素影響，工作面回采長(zhǎng)度差別較大，寬度一般為220 m。15 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，但局部有陷落柱、斷層。斷層大小形式多樣，給工作面回采帶來較大的困難，造成工作面產(chǎn)量較低，出矸石量較多。在礦區(qū)井田范圍內(nèi)，還存在撓曲構(gòu)造的影響，難于確定巷道開口位置等。所以，必須提高異常構(gòu)造探查精度，以達(dá)到為巷道開拓及工作面回采提供地質(zhì)保障的目的。

1 槽波反射法

采用槽波精細(xì)探測(cè)方法對(duì)工作面異常進(jìn)行探查，其有效波信號(hào)即為槽波反射信號(hào)。如果在煤層中槽波傳播時(shí)遇到煤層中的不連續(xù)體，即遇到地震波的波阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)，因此，識(shí)別這些反射槽波信號(hào)可以直接判定煤層中不連續(xù)體位所處位置。圖1 所示為槽波反射法勘探示意圖。

如圖1 所示，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)位于同一條巷道中。槽波反射方法的最大優(yōu)勢(shì)是可在一個(gè)煤巷的兩側(cè)對(duì)小構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，這在采礦工程中的應(yīng)用價(jià)值尤為高。因此，它是槽波地震探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，槽波透射和槽波反射是相互補(bǔ)充的，根據(jù)特定的探測(cè)情況和目的，聯(lián)合作用效果最佳。

圖1 槽波反射法勘探示意圖

2 工程概況

2.1 15202 工作面基本情況

工程應(yīng)用以15202 工作面的實(shí)際槽波數(shù)據(jù)為依托，綜合本礦實(shí)際地質(zhì)資料，對(duì)異常構(gòu)造進(jìn)行槽波精細(xì)探測(cè)技術(shù)研究。

1）褶曲。井田內(nèi)共有褶曲7 條，其中S6 背斜（色頭背斜）位于施工的15207 和15202 工作面之間，離工作面有一定的距離，傾角較為平緩。該背斜核部分布山西組地層，東西兩翼依次分布下石盒子組和上石盒子組地層。軸向近南北，由南向北穿越本井田，由15 號(hào)煤層?xùn)|翼大巷把背斜軸分為南北部，背斜軸北部?jī)梢淼貙觾A向西、東，兩翼地層產(chǎn)狀不對(duì)稱，西翼傾角4°～13°之間，東翼傾角2°～10°之間。背斜軸南部?jī)梢淼貙觾A向西南、東南，兩翼地層產(chǎn)狀基本對(duì)稱，兩翼傾角3°～5°之間，在井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度為3 680 m。

2）斷層。15202 工作面槽波施工區(qū)域附近，實(shí)見斷層9 條（落差0.3～6 m），落差較小。

3）陷落柱。15202 工作面掘進(jìn)工作中，回風(fēng)順槽揭露陷落柱1 個(gè)（Q30），從Q30 處向工作面內(nèi)掘探巷，探巷揭露陷落柱1 個(gè)（Q32）。

4）巖漿巖。根據(jù)井下實(shí)際揭露情況，所需施工的工作面巷道內(nèi)未見巖漿巖侵入。

2.2 槽波反射技術(shù)可行性

15202 工作面煤層同其圍巖的密度等物理性質(zhì)存在一定程度的差異，因此其波阻抗也會(huì)相應(yīng)地有一定程度的區(qū)別。在煤層同其圍巖之間的交界截面上，可以形成地震波的反射面，有益于煤層當(dāng)中槽波的傳播，15202 工作面寬度在槽波傳播范圍內(nèi)，能夠保障槽波能量衰減在較小范圍內(nèi)，由此可以提高槽波的品質(zhì)，達(dá)到較好的探測(cè)效果。因此，采用槽波反射技術(shù)對(duì)撓曲構(gòu)造探測(cè)具有可行性。

3 槽波反射技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程布置

本次槽波數(shù)據(jù)采集選用中煤科工西安院自主研發(fā)的YTZ-3 型存儲(chǔ)式無纜遙測(cè)地震儀，其主要參數(shù)如表1 所示：

表1 YTZ-3 型存儲(chǔ)式無纜遙測(cè)地震儀主要參數(shù)

根據(jù)15202 工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育情況，采用全排列探測(cè)數(shù)據(jù)采集方式，可以實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)數(shù)據(jù)被最大限度地接收。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)，沿著15202 工作面運(yùn)輸順槽、東翼回風(fēng)大巷和15202 工作面回風(fēng)順槽布置測(cè)線，共布設(shè)檢波點(diǎn)165 個(gè)，炮點(diǎn)80 個(gè)。詳細(xì)測(cè)點(diǎn)、炮點(diǎn)布設(shè)情況見表2。

表2 15202 工作面槽波探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置一覽表

3.2 施工方法

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)施工時(shí)，將檢波器布置于巷道錨桿的露頭位置上，并保證其與錨桿具有良好的耦合效果。炮孔與煤壁垂直打設(shè)，設(shè)計(jì)深度為2.5 m，設(shè)計(jì)裝藥量0.3 kg。各個(gè)激發(fā)點(diǎn)放炮震動(dòng)，各個(gè)接收點(diǎn)搜集信號(hào)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為0.25 ms，記錄長(zhǎng)度為2 s。全部激發(fā)點(diǎn)放炮施工后，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行回收，完成井下現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)采集工作。

3.3 槽波數(shù)據(jù)處理

本次槽波數(shù)據(jù)處理采用GeoCoal 槽波地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。首先按照工作面大小建立一個(gè)X、Y 方向分別為750、200 m 的模型，其網(wǎng)格尺寸5 m×5 m。各個(gè)網(wǎng)格表示尺寸為5 m×5 m 的煤體的平均槽波振幅數(shù)值，再通過濾波處理方式對(duì)井下采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，依次得到每個(gè)激發(fā)點(diǎn)的槽波傳播到檢波點(diǎn)時(shí)間，也就是各條射線傳播時(shí)長(zhǎng)。最后把上述各條射線傳播時(shí)長(zhǎng)代入CT 算法迭代求解，以此得出模型當(dāng)中各個(gè)網(wǎng)格能量分布情況。圖2 所示為15202 工作面槽波CACT 成像圖。

圖2 15202 工作面槽波CACT 成像圖

如圖2 所示，藍(lán)色等淺色區(qū)域表示槽波可穿透工作面的區(qū)域，表明工作面中該部分區(qū)域存在落差較小斷層或地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單；相反地，黃紅等深色區(qū)域表示槽波不能完全穿透或難以穿透工作面的區(qū)域，表明工作面中該部分區(qū)域存在落差較大斷層或陷落柱等較大地質(zhì)構(gòu)造。

15202 工作面采集的數(shù)據(jù)中槽波較弱，僅在回風(fēng)順槽4 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)至5 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)，運(yùn)輸順槽6 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)至7 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)之間的一段區(qū)域內(nèi)能夠接收到槽波，其余部分?jǐn)?shù)據(jù)中含槽波能量較弱，說明15202 工作面內(nèi)整體較復(fù)雜，異常構(gòu)造較多且規(guī)模較大。

由CACT 成像結(jié)果可以看出，已揭露的Q31 陷落柱以南至Q35 陷落柱之間，工作面的槽波穿透性較好，此段區(qū)域內(nèi)無明顯異常構(gòu)造；Q31 陷落柱以北至東翼回風(fēng)大巷，整體上槽波穿透性較差，槽波衰減嚴(yán)重，說明此段區(qū)域內(nèi)異常構(gòu)造發(fā)育，存在陷落柱和多條斷層。

15202 工作面CACT 成像結(jié)果中存在3 個(gè)強(qiáng)異常區(qū)和3 個(gè)異常條帶，3 個(gè)強(qiáng)異常區(qū)分別對(duì)應(yīng)已揭露的2 個(gè)陷落柱Q32、Q31，和1 個(gè)新發(fā)現(xiàn)的陷落柱CX1；3 個(gè)異常條帶對(duì)應(yīng) 3 個(gè)新發(fā)現(xiàn)斷層 CF3、CF4 和CF5?，F(xiàn)將陷落柱與斷層進(jìn)行分述如下：

CX1 陷落柱：長(zhǎng)軸70 m，短軸約60m，位于15202運(yùn)輸順槽2 號(hào)與3 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)之間，距15202 運(yùn)輸順槽約5 m，距東翼回風(fēng)大巷約160 m。該陷落柱尚未揭露，在CACT 成像中反映比較明顯，為疑似陷落柱。

Q31 陷落柱：長(zhǎng)軸約55 m，短軸約45 m。該陷落柱在15202 運(yùn)輸順槽內(nèi)有部分揭露，在CACT 成像中反映明顯。

Q32 陷落柱：由于該陷落柱位于測(cè)線邊緣，且成像結(jié)果受探巷的影響，無法查明陷落柱大小，但由CACT 成像結(jié)果可以看出，Q32 陷落柱在探測(cè)區(qū)內(nèi)的面積小于原有推測(cè)，工作面在Q32 與Q31 陷落柱之間的一段區(qū)域內(nèi)不存在明顯的異常構(gòu)造。

CF3 斷層：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風(fēng)大巷約70 m，工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度約60 m。該斷層在工作面內(nèi)尖滅，在CACT 成像中有所反映，為可靠斷層。

CF4 斷層：走向NNE，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風(fēng)大巷約200 m，工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度約150 m。該斷層向北交于CX1 陷落柱，向南尖滅，在CACT 成像中反映明顯，為可靠斷層。

CF5 斷層：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風(fēng)大巷約350 m，工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度約110 m。該斷層向南交于Q31 陷落柱，向南尖滅，在CACT 成像中反映明顯，為可靠斷層。

4 結(jié) 語

通過對(duì)山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司15202 工作面槽波精細(xì)探測(cè)技術(shù)的研究，查明了探測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造的位置，為井巷工程避開不利構(gòu)造提供了依據(jù)，提高采掘布置方案的科學(xué)合理性，降低了巷道開拓成本，釋放更多的煤炭?jī)?chǔ)量，提高了開采效率。并且還可以減少安全隱患，提高安全生產(chǎn)系數(shù)，可以推廣到其他工作面的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)工作當(dāng)中。