槽波技術在陽泉礦區(qū)地質(zhì)異常體探測中的應用研究

范徳元，吳國慶，馬彥龍

槽波技術在陽泉礦區(qū)地質(zhì)異常體探測中的應用研究

范徳元1，吳國慶2，馬彥龍2

(1. 華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

通過回顧近幾年槽波地震探測技術在陽泉礦區(qū)的發(fā)展歷程及應用情況，總結陽泉礦區(qū)槽波發(fā)育特征，詳細分析陽泉礦區(qū)發(fā)育的斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體的槽波探測效果，并對各區(qū)域礦井槽波特征進行總結，針對發(fā)育不同構造的礦井，分析總結相應的槽波傳播規(guī)律和解釋方法。結果表明：槽波探測工作面在陽泉礦區(qū)達到200多個，在15號煤層探測應用最多，達到58個工作面，主要解決斷層、陷落柱、撓曲、頂?shù)装迤扑閹У鹊刭|(zhì)異常體的探測問題，探測結果總體準確率在82.2 %以上；陽泉礦區(qū)槽波發(fā)育特征：3～6 m煤厚槽波發(fā)育中等至良好，煤厚小于2 m的晉南地區(qū)，槽波發(fā)育一般；槽波Airy相速度960～1 000 m/s，不同地區(qū)速度相差不大；Airy相頻率與煤厚相關，煤層越厚，Airy相頻率越低；相同煤層中，槽波Airy相速度與頻率相差不大；根據(jù)回采驗證情況，不同煤層及地區(qū)，探測效果差別較大；對槽波探測不同地質(zhì)異常體的問題，從數(shù)據(jù)采集、處理與綜合解釋上給出了建議；今后需進一步加強槽波對構造煤、瓦斯富集區(qū)、應力異常等地質(zhì)災害的探測研究，深化槽波在地質(zhì)保障領域的應用范圍，為礦井安全生產(chǎn)及工作面透明化提供可靠的地質(zhì)保障。

槽波探測技術；陽泉礦區(qū)；槽波特征；地質(zhì)異常；探測效果

槽波是1955年F. F. Evison[1]在新西蘭煤礦煤層中首次發(fā)現(xiàn)的地震導波，1963年T. C. Krey[2]從理論上對槽波的頻散進行了分析，奠定了槽波探測技術的應用基礎。20世紀80—90年代，煤炭科學研究總院西安研究院與重慶研究院對槽波裝備進行引進并研發(fā)，首先從槽波探測試驗開始，成功研制了PYSD-1型數(shù)字地震儀[3]，與眾多煤礦聯(lián)合開展了多項槽波探測業(yè)務[4]。但20世紀末由于煤炭行業(yè)整體不景氣，以及計算機運算能力差、探測裝備落后等原因，導致槽波探測技術逐漸衰落。進入2000年以后的十年，由于三維地震勘探技術的快速發(fā)展，基本滿足了煤礦的生產(chǎn)要求[5]，槽波探測技術停滯不前。在“十二五”期間，中國煤礦開采技術有了突破性進展，現(xiàn)代化的綜合采煤機械對地質(zhì)資料準確性的要求越來越高[6]。中煤科工集團西安研究院有限公司等通過自主研發(fā)，實現(xiàn)了槽波探測裝備國產(chǎn)化、小型化，開發(fā)了礦井槽波地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Geo Coal軟件，為槽波大規(guī)模應用奠定了技術基礎[7-8]。

2015年，中煤科工集團西安研究院有限公司首先在華陽新材料科技集團有限公司下屬的山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司開展2～3年的槽波探測試驗，應用槽波透射法與反射法從回采工作面探測到工作面布置進行了探索與研究，對2號煤層的斷層與陷落柱探測取得了良好的效果；2017年分別在山西新元煤業(yè)有限公司(3號煤層)與華陽集團一礦、五礦、景福、寺家莊(15號煤層)等8個礦井進行了推廣應用，經(jīng)回采驗證，效果良好；2018年西安研究院對華陽集團下屬的大部分礦井生產(chǎn)工作面進行槽波探測，并把槽波成果作為回采前工作面驗收的一項重要物探資料。

經(jīng)過近十年的發(fā)展，槽波探測方法已成為礦井物探最常用的方法之一[9]。礦井智能化、透明化技術對工作面地質(zhì)保障技術提出了更高要求[10-12]，不僅要準確解決常規(guī)的構造探測問題，在煤層的其他“隱蔽致災”方面諸如構造煤、應力分布以及瓦斯富集等的探測技術上，仍需開展進一步的研究工作，為礦井的智能安全開采提供地質(zhì)保障。至今，在陽泉礦區(qū)開展了數(shù)百個工作面的槽波探測，采集了豐富的槽波資料，積累了大量的實踐經(jīng)驗，同時開展了槽波探測對構造煤、瓦斯富集區(qū)、應力分布的科研試驗，對煤層折射波及全波場處理解釋方法進行了研究。為了促進槽波探測技術發(fā)展，筆者通過總結槽波探測技術在陽泉礦區(qū)的應用現(xiàn)狀，詳細分析陽泉礦區(qū)的斷層、陷落柱等其他地質(zhì)異常體的槽波探測效果，并對各區(qū)域礦井槽波特征進行總結，針對發(fā)育不同構造的礦井，總結相應的槽波發(fā)育規(guī)律，提出相應的解釋方法，并對槽波探測在陽泉礦區(qū)地質(zhì)保障領域深化發(fā)展提出了思考。

1 槽波探測及其成像技術

1.1 槽波透射法及其能量衰減系數(shù)成像

在工作面的2條巷道或聯(lián)通巷布置炮點和檢波點，依據(jù)由炮點穿透煤層至接收點的槽波信號進行勘探。炮點與檢波點(接收點)布置在采區(qū)周圍不同巷道內(nèi)，根據(jù)檢波點接收槽波的缺失、強弱及速度變化來判斷在相應的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構造異常(圖1)。

圖1 槽波透射法勘探

由槽波的傳播理論可知，槽波能量與介質(zhì)能量的衰減系數(shù)和傳播長度的關系為：

式中：0為震源處槽波的振幅；為槽波的傳播距離；為煤層的槽波能量衰減系數(shù)；A為槽波傳播距離之后的振幅[13-14]。

通過ART算法進行逐條射線迭代，求取槽波能量衰減系數(shù)并成像[15]。

1.2 槽波反射法及其繞射波偏移成像

槽波在煤層中傳播遇到地質(zhì)異常體，就會產(chǎn)生反射槽波信號，從而被布置在巷道同一側的檢波器接收到(圖2)。

圖2 槽波反射法勘探

反射槽波的波動方程比較復雜，偏移成像方法研究較少，目前僅有Hu Yanrong等[16]開展了將逆時偏移技術應用于槽波的嘗試。反射槽波偏移成像方法仍是基于射線理論，以繞射偏移法為主。

由于槽波僅在煤層中傳播，因此，槽波的繞射偏移成像一般在煤層所在的近似平面內(nèi)完成。設(,)為平面內(nèi)一點，則該點上的疊加振幅為：

式中：為總炮數(shù)；為檢波器數(shù)；(t)為第個炮集中第道信號在t時刻的瞬時振幅；g為槽波群速度；r為(,)點到第個震源點和第個接收點的距離之和；(x,y)為第個震源點坐標；(x,y)為第個接收點坐標。

在成像的過程中，可以根據(jù)探測目標預先對式(2)中的瞬時振幅加權。如果預先知道斷層的大致走向或者陷落柱的大致位置，則可通過成像點、炮點、檢波點的三角關系求出反射面的方位角，由反射面方位角與預期斷層方位角的差構成權系數(shù)，在式(2)中對瞬時振幅加權求和。通過這種方法能夠減少其他波場與噪聲的影響，提高特定異常構造的成像效果[17]。

2 槽波探測技術在陽泉礦區(qū)的應用

2.1 主要煤層賦存情況

陽泉礦區(qū)位于沁水盆地東北邊緣、新華夏系第三隆起帶中段西側、祁呂賀山字型前弧東翼以東。煤層主要分布在二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)太原組，其中，山西組地層厚54～82 m，平均60.23 m，主要由灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖，灰白色砂巖及煤組成，與下伏太原組地層連續(xù)沉積(呈沖刷接觸)，含煤4～6層，可采煤層為2、3、5號煤層；太原組地層總厚度90～130 m，平均118.67 m，主要由黑灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色砂巖，3層石灰?guī)r及煤組成，含煤7～9層，可采煤層為8、9、11、13、15號煤層[18-21]。

2.2 槽波探測概況

自2017年槽波探測技術在華陽集團所屬礦井推廣應用以來，已經(jīng)開展了數(shù)百個工作面的構造探測(圖3)。2019年，華陽集團把槽波探測作為重要的物探手段寫入了礦井防治水手冊。槽波勘探成果應用于華陽集團下屬大部分礦井，在各回采工作面煤層取得了良好的效果，解決了普遍面臨的斷層、陷落柱和撓曲等地質(zhì)體的探測問題。

圖3 2017—2020年度槽波探測工作面數(shù)量

目前大部分開展過槽波探測的工作面已經(jīng)完成了回采驗證，尤其在陽泉本部礦區(qū)的驗證資料最為齊全，其他各礦開展探測與回采詳細情況如圖4所示。

圖4 華陽集團各礦完成槽波探測統(tǒng)計

華陽集團大部分礦井開采15號煤層，槽波探測也在15號煤層開展的最多，對3、8、9號煤層等均有一定數(shù)量的探測工作，各煤層工作面?zhèn)€數(shù)詳細探測情況如圖5所示。

槽波探測在陽泉礦區(qū)主要解決的地質(zhì)問題有斷層、陷落柱、撓曲、頂?shù)装迤扑閹У鹊刭|(zhì)異常體，這些也是陽泉礦區(qū)主要的致災因素。在陽泉礦區(qū)的槽波解釋通過修正揭露斷層、陷落柱，新解釋隱伏斷層、陷落柱，新解釋撓曲、頂?shù)装迤扑閹У鹊刭|(zhì)異常體(圖6)，為回采工作面及工作面布置奠定了堅實的地質(zhì)基礎[22-23]。

圖5 槽波探測各煤層數(shù)量分布

圖6 槽波探測地質(zhì)異常體解釋結果

2.3 槽波發(fā)育特征

收集了陽泉礦區(qū)的部分礦井槽波探測資料(圖7)，對槽波的Airy相速度和頻率、頂?shù)装鍘r性、構造復雜程度進行統(tǒng)計分析(表1)，可以發(fā)現(xiàn)槽波在陽泉礦區(qū)發(fā)育特征：3～6 m煤厚槽波發(fā)育中等至良好，煤厚小于2 m的晉南地區(qū)，槽波發(fā)育一般；陽泉礦區(qū)槽波Airy相速度960～1 000 m/s，不同地區(qū)速度相差不大；Airy相頻率與煤厚相關，煤層越厚，Airy相頻率越??；相同煤層中，槽波波速與Airy相頻率相差不大，不同煤層中略有不同；區(qū)域不同，槽波發(fā)育特征也不相同[24]。

3 槽波探測應用效果、發(fā)育規(guī)律及解釋方法

3.1 槽波探測驗證效果

對回采完畢和正在回采的工作面解釋構造驗證情況進行分析，由表2可知，槽波在陽泉礦區(qū)的總體驗證率在82.2 %以上，但部分礦井也存在遺漏構造的情況，究其原因是基礎地質(zhì)資料的收集、確認，現(xiàn)場情況的收集還存在不足；部分礦井煤層薄，槽波發(fā)育較差，在解釋時準確率下降；工作面內(nèi)部水力沖孔造穴等對槽波形成有影響。

3.2 討論

對發(fā)育小型陷落柱(直徑小于20 m)的礦井，槽波能量異常一般會偏大；撓曲發(fā)育區(qū)域經(jīng)常伴生陷落柱；斷層一般對槽波影響不大；夾矸對槽波能量有影響(包括透射和反射)。結合以往探測結果可知，陷落柱極其發(fā)育礦井，雖然構造復雜，但槽波CT成像效果較好，槽波能量衰減明顯的，可解釋為構造，若衰減一般且沒有打鉆揭露情況可不做解釋。瓦斯比較富集的礦井，資料品質(zhì)一般，槽波CT成像異常較多，槽波能量異常受構造、頂板破碎、瓦斯富集多種因素影響，解釋困難比較大，結合折射波進行綜合分析，可提高資料準確度。對于斷層、陷落柱等構造均較發(fā)育的復雜地質(zhì)礦井，槽波CT成像異常較多，槽波能量衰減明顯，結合全波場分析，可進行構造或者異常解釋。部分槽波不發(fā)育礦井，折射波對構造反應明顯。對于煤層較厚、構造相對簡單的礦井，透射槽波發(fā)育，可解釋煤層厚度變化區(qū)域。對于薄煤層且斷層較為發(fā)育礦井，總體槽波發(fā)育及解釋效果一般，可靠程度低。

要提高槽波探測精度需要在測量、采集、處理與解釋各個環(huán)節(jié)進行把控。測量時需提高實際位置和坐標校正的準確度。數(shù)據(jù)采集中，需收集每一道檢波點的巷道接收條件；依據(jù)地質(zhì)背景，進行最優(yōu)的偏移距、方位角設計；還需要對設備實施定期的檢修與維護。處理時運用槽波發(fā)育的多種波場(透射槽波、反射槽波、折射縱波、折射橫波)進行分析，結合頻散特征、偏移距、方位角、分段等多種手段成像，求同存異。解釋需將槽波與折射波成像結果相融合，結合坑透、巷道揭露、本煤層抽采鉆孔、采區(qū)構造發(fā)育情況等進行綜合解釋。

同時，陽泉礦區(qū)部分礦井存在構造煤、瓦斯富集、應力異常、頂?shù)装迤扑榈绕渌刭|(zhì)異常體。目前以能量衰減法為主的槽波處理方法難以滿足探測需要，后續(xù)需加大上述多種地質(zhì)異常體對槽波傳播速度等其他屬性的影響研究，總結槽波對這些異常的響應特征，運用槽波多屬性解釋進一步拓寬槽波在探查“隱蔽致災”領域的應用范圍，為礦井安全生產(chǎn)及透明化工作面提供可靠的地質(zhì)保障。

4 結論

a.槽波透射法能量衰減系數(shù)成像及反射法繞射波偏移成像對構造等異常信息的解釋比較準確，在陽泉礦區(qū)應用良好，解釋斷層、陷落柱、撓曲等地質(zhì)異常體總體準確率在82.2 %以上。

表1 陽泉礦區(qū)煤層槽波發(fā)育特征

續(xù)表

表2 陽泉礦區(qū)槽波驗證情況

b.陽泉礦區(qū)3～6 m煤厚槽波發(fā)育中等至良好，煤厚小于2 m的晉南地區(qū)，槽波發(fā)育較差；Airy相速度960～1 000 m/s，不同地區(qū)速度相差不大；Airy相頻率與煤厚度相關，煤層越厚，Airy相頻率越??；相同煤層中，槽波Airy相速度與頻率相差不大，不同煤層中略有不同；區(qū)域不同，槽波發(fā)育特征也不相同。

c. 通過測量校正、多種波場處理，結合收集到的已知地質(zhì)信息，綜合分析可進一步提高槽波在陽泉礦區(qū)地質(zhì)異常體探測的準確率。

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Application of in-seam wave technology in geological anomaly detection of Yangquan Mining Area

FAN Deyuan1, WU Guoqing2, MA Yanlong2

(1. Huayang New Material Technology Group Co., Ltd., Yangquan 045000, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

By reviewing the application history of in-seam wave seismic detection technology in Yangquan Mining Area in recent years, this paper summarizes the characteristics of in-seam wave in Yangquan Mining Area, and analyzes the in-seam wave detection effect of geological anomalies such as faults and collapse columns in Yangquan Mining Area. The characteristics of in-seam waves in various regions are summarized, and the propagation patterns and the interpretation methods of in-seam wave in the regions are proposed. The results show that there are more than 200 working faces adopted in-seam seismic detection in Yangquan Mining Area, among which 58 working faces are used in No.15 coal seam, which mainly solves the detection problems of geological abnormal bodies such as faults, collapse columns, deflection, roof and floor breakage, and the overall accuracy rate of detection results is more than 82.2%. The characteristics of in-seam waves in Yangquan Mining Area are as follows. In-seamwave development is moderate to good in coal seams of 3-6 m thickness. In the south of Shanxi where the coal thickness is less than 2 m, in-seam wave is generally developed. The Airy velocity of in-seam waves are 960-1 000 m/s, and there is little difference in different regions. The Airy frequency is related to coal thickness, and the thicker the coal seam, the lower the Airy frequency. In the same coal seams, differences of velocity and frequency is not significant. According to the results of mining verification, the effect of detection from different coal seams and regions are quite different. For detection of geological anomalies by in-seam waves, suggestions are given from data collection, processing and comprehensive interpretation.The detection methods need be strengthened in the future to detect more geological disasters such as structural coal, gas enrichment areas, and stress anomalies.With extension of its application, in-seam wave technology will provides reliable geological protection for safe production and promote transparencyfor working faces of coal mines.

in-seam wave detection technology; Yangquan Mining Area; in-seam wave characteristics; geological anomaly; detection effect

P631

A

1001-1986(2021)04-0033-07

2021-04-14；

2021-06-28

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)

范德元，1966年生，男，內(nèi)蒙古商都縣人，碩士，高級工程師，研究方向為礦井地質(zhì)與防治水. E-mail：fdy8888888@163.com

馬彥龍，1988年生，男，碩士，助理研究員，從事煤田三維地震及礦井槽波地震勘探的研究. E-mail：mayanlong@cctegxian.com

范徳元，吳國慶，馬彥龍. 槽波技術在陽泉礦區(qū)地質(zhì)異常體探測中的應用研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：33–39. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.04.005

FAN Deyuan，WU Guoqing，MA Yanlong. Application of in-seam wave technology in geological anomaly detection of Yangquan Mining Area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：33–39. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021. 04.005

(責任編輯 聶愛蘭)