槽波勘探技術(shù)在厚煤層構(gòu)造探測中的應(yīng)用

高國芹

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局第一水文地質(zhì)隊，河北邯鄲 056004)

0 引言

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今煤礦采寬超過200m的工作面越來越常見，回采前對隱伏地質(zhì)構(gòu)造的探查工作愈發(fā)重要[1]。準(zhǔn)格爾煤田北部帶壓開采區(qū)域內(nèi)斷層及陷落柱發(fā)育程度較高，使得該區(qū)域防治水形勢極為嚴(yán)峻。本文以鄂爾多斯某煤礦F6206工作面為例，對不同觀測系統(tǒng)下槽波的觀測精度問題進(jìn)行探討，為進(jìn)一步提高槽波勘探的分辨率和精度奠定了基礎(chǔ)。

1 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探技術(shù)是礦井地球物理勘探方法中較為行之有效的方法之一[2]。它具有探測距離大、精度高、抗電干擾能力強(qiáng)、波形特征較易識別以及最終成果直觀的優(yōu)點[3]。

在地質(zhì)剖面中，煤層是一個典型的低速夾層，在物理上構(gòu)成一個“波導(dǎo)”。煤層中激發(fā)的部分能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及鄰近的巖石(簡稱煤槽)中，如圖1所示。槽波地震勘探就是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，以探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法[4]。

圖1 槽波形成示意圖Figure 1 Schematic diagram of in-seam wave formation

探的基本觀測方法有兩類：透射法與反射法。它們的原理都很簡單。由震源在煤層中激發(fā)的槽波，沿煤槽傳播。如果工作面或巷道前方煤層不連續(xù)，波導(dǎo)就完全或不完全阻斷，槽波遇到這些阻斷面時，就將產(chǎn)生反射或部分反射。因此，槽波不能有效地透過異常體形成正常的透射槽波，或者觀測不到透射槽波。

透射法(圖2)測量中，震源與檢波器(排列)布置在不同的巷道內(nèi)。在一條巷道內(nèi)激發(fā)，在另一條巷道中接收通過采區(qū)或盤區(qū)的透射槽波。根據(jù)透射槽波的有無或強(qiáng)弱，來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區(qū)內(nèi)煤層的連續(xù)性。當(dāng)斷層落差大于煤厚時，煤層波導(dǎo)完全阻斷，一般接收不到透射槽波；在落差相當(dāng)于煤厚30%～70%，煤層波導(dǎo)部分阻斷，接收到的透射槽波能量較正常情況下有不同程度的減弱，有時速度也發(fā)生變化。目前在厚1～3.5m的中厚煤層中，最大透射距離可達(dá)1 000m以上[5]。

圖2 透射槽波勘探示意圖Figure 2 Schematic diagram of transmitted in-seamwave prospecting

2 實例分析

2.1 工作面概況

鄂爾多斯某煤礦F6206工作面走向長度為2 160.9m，傾向長度為240.3m，工作面開采太原組6#煤層,工作面總體呈東高西低，煤層底板所承受的最大水壓為0.393MPa，同時該工作面運輸順槽掘進(jìn)中在322m處揭露斷層，落差10m，根據(jù)出水水質(zhì)化驗情況，可初步判斷溝通灰?guī)r水。綜上所述，該工作面存在奧陶系灰?guī)r突水的威脅。

2.2 槽波勘探觀測系統(tǒng)

本次槽波勘探采用透射法施工(圖3)，炮點及檢波點分布于運輸順槽、輔運順槽及切眼內(nèi)。目前傳統(tǒng)的槽波勘探常采用30m炮點距，20m檢波點距進(jìn)行施工。本次勘探為達(dá)到研究不同炮點檢波點距及單邊與雙邊放炮對勘探效果影響的目的，我們以10m炮點距及10m檢波點距的布置方式進(jìn)行了高密度的數(shù)據(jù)采集工作，整個工作面槽波地震勘探共采集槽波有效數(shù)據(jù)483炮，檢波點布設(shè)434道。槽波儀采用存儲式無纜遙測地震儀(YTZ-3)，采樣間隔0.25ms，記錄長度2s，每炮炸藥量為0.2kg，每個炮點激發(fā)，所有接收點均接收數(shù)據(jù)[6]。

圖3 S607炮槽波能量異常區(qū)域Figure 3 S607 shot in-seam wave energy anomalous zone

后期以固定間隔抽取單數(shù)或雙數(shù)、單邊或雙邊的炮點記錄進(jìn)行反演解釋工作，達(dá)到研究不同觀測系統(tǒng)下槽波勘探精度的目的。

2.3 資料處理與解釋

槽波數(shù)據(jù)的處理主要有對各個單炮記錄進(jìn)行抽道集重排，使井下記錄轉(zhuǎn)換成共炮點記錄(CSP)、共接收點記錄(CGP)，進(jìn)行文頭編輯、道數(shù)據(jù)編輯、二次采樣、噪聲剔除、頻譜分析、初至識取等處理過程。本次槽波的數(shù)據(jù)處理采用2.5m×2.5m網(wǎng)格單元的劃分[7-9]。

本次槽波的反演采用特征值反演方法。該方法是對單炮記錄上槽波進(jìn)行識別和能量計算，根據(jù)每道地震記錄上槽波的有、無及能量大小來賦予不同的特征值。通過網(wǎng)格劃分計算出工作面內(nèi)不同網(wǎng)格內(nèi)槽波的傳播情況，從而分析工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育的情況[10]。

根據(jù)目前主流的觀測系統(tǒng)布置方式如單邊放炮、20m炮點距采集等觀測方式進(jìn)行了炮點數(shù)據(jù)的抽取，并統(tǒng)一通過特征值反演方法得到了如圖4所示，其中圖4a和圖4b分別為抽取輔運順槽單巷放炮記錄，抽取運輸順槽單巷放炮記錄，以20m炮點距抽取兩巷炮點記錄以及未做抽取的炮點記錄的特征值CT層析成像圖[11-13]。圖中橫坐標(biāo)為巷道內(nèi)的測點編號，縱坐標(biāo)為采面寬度，圖中虛線所圈定的綠-白色區(qū)域代表了低特征值的槽波能量異常區(qū)域。

1)通過對比圖4a與圖4b中不同單巷放炮的成果圖可以看出，地質(zhì)異常的主體范圍基本一致，但也存在較大的差異性。產(chǎn)生這種差異性的原因可能：一是現(xiàn)場巷道條件的差異性，二是不同區(qū)域覆蓋次數(shù)分布的不均勻性所致。同時從該試驗可以直觀的看出，理論上單邊加密放炮即可以取代雙邊放炮的檢炮互換理論在實際生產(chǎn)中會受環(huán)境、地質(zhì)條件等因素的影響形成多余的虛假異常區(qū)，其可行性有待商榷。

2)通過對比圖4a、圖4b及圖4d中單邊與雙邊放炮的成果圖可以看出，雙邊放炮所得成果分辨率更高，異常區(qū)的圈定更為精準(zhǔn)，這也得益于雙邊放炮所形成的高覆蓋次數(shù)及雙邊放炮的高糾錯能力。

圖4 不同觀測系統(tǒng)下的槽波勘探CT成像Figure 4 In-seam seismic prospecting CT imaging under different field setups

3)通過對比圖4c及圖4d中不同炮間距雙邊放炮的成果圖可以看出，上述兩種裝置的異常范圍較為接近，但20m炮間距所得成果分辨率明顯低于10m炮間距，因此推測高密度的炮間距布置對于大采寬、煤層厚的的工作面具有較為重要的作用。

3 結(jié)語

通過對不同炮點檢波點距及單邊與雙邊放炮對勘探成果的影響程度的試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)：

1)理論可行的檢炮互換理論在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果仍有待商榷。

2)在煤層厚度大、采寬大的工作面要取得較好的勘探效果，減小炮間距，進(jìn)而增加覆蓋次數(shù)是一種行之有效的方法。