槽波地震探測(cè)技術(shù)在雨汪煤礦1010201工作面的應(yīng)用

楊慶朝

（四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院昆明分院，云南 昆明 650051）

0 引言

我國煤礦資源儲(chǔ)量豐富，但許多礦區(qū)位于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)，在煤礦實(shí)際開采過程中，工作面內(nèi)斷層、薄煤區(qū)、裂隙帶及陷落柱等構(gòu)造的存在對(duì)煤礦作業(yè)形成了巨大威脅，由于該類地質(zhì)異常體直接或間接導(dǎo)致的例如礦井突水、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害占具絕對(duì)主要地位[1-2]。因此，探明工作面內(nèi)地質(zhì)異常體及隱伏構(gòu)造和進(jìn)行針對(duì)性治理工作是保證煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要手段之一。目前礦井常用的物探方法有直流電阻率法、瞬變電磁法、音頻電透視法及槽波地震探測(cè)法等[3]。其中，槽波地震探測(cè)法有受地形影響小、探測(cè)精度高、分辨率高及驗(yàn)證快等特點(diǎn)，是探明工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的有效方法，也是礦井地震探測(cè)中的重要方法之一。目前，槽波地震探測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)較為完整，并且一度被列為煤炭部重點(diǎn)推廣技術(shù)之一，寫入了綜采手冊(cè)。

由于我國煤礦復(fù)雜，具有多樣性，不同地質(zhì)條件槽波地震探測(cè)施工和解釋成果存在差異，因此限制了該方法的應(yīng)用?；谶@種情況，該文以雨汪煤礦1010201 工作面為研究對(duì)象，利用槽波地震探測(cè)技術(shù)對(duì)該工作面內(nèi)斷層、裂隙帶及一定規(guī)模的地質(zhì)異常體等進(jìn)行超前識(shí)別，為工作面安全回采提供有效地質(zhì)依據(jù)，也為該技術(shù)在其他煤礦的推廣應(yīng)用提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

雨汪煤礦1010201 工作面以開采C2 煤層為主。該工作面長和寬分別約為2150m 和207m，工作面內(nèi)含夾矸0 層～2 層，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。其中煤層厚度平均約為1.13m，總體在0.12m～6.65m。層位穩(wěn)定的薄～中厚煤層，單一結(jié)構(gòu)，偶有一層夾矸，為半暗型，中～富硫煤，塊煤為主，直接頂、底板巖性為泥巖砂巖，多為灰黑色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖。

2 槽波地震勘探技術(shù)原理

槽波地震探測(cè)技術(shù)是煤礦地震探測(cè)的一個(gè)重要分支[4]。在煤層地質(zhì)中，把煤層看作一個(gè)低速的地震槽。槽波在煤層中激發(fā)地震波，以震源為中心向四周傳播橫波和縱波，并最終在同一煤層中接受。由于煤的物性特點(diǎn)，導(dǎo)致其彈性波傳播能力一般弱于煤層頂和底板。因此在激發(fā)初始能量后，彈性波大部分能量不能向外傳播，在煤層中經(jīng)過多次透射、反射及疊加向前傳播，然后迅速衰減，形成了槽波[5]，如圖1 所示。

圖1 槽波的形成原理示意圖

2.1 槽波透射法探測(cè)

透射法是現(xiàn)階段槽波地震探測(cè)體系中最基本有效的方法之一。其基本操作原理是分別將激發(fā)震源和檢波器設(shè)置在兩條不同的巷道，一條用于激發(fā)，另一條用于接收，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)形成密集射線；通過投射槽波的強(qiáng)弱來觀測(cè)所覆蓋區(qū)域的信號(hào)連續(xù)性。當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)存在斷層且落差大于煤厚時(shí)，信號(hào)會(huì)被完全阻斷，通常無法接收到透射波；當(dāng)斷層落差約占煤層厚度的30%～70%時(shí)，部分信號(hào)會(huì)被阻斷，所以接收至透射槽波的能量和速度會(huì)不同程度地變化，同時(shí)槽波具有很強(qiáng)的透射能力，通過前期研究可知，在厚度為1m～3.5m 的煤層中，槽波的最大透射距離可達(dá)1000m 以上，該方法也具有簡單靈活、探測(cè)范圍大及準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)施工時(shí)為了保證探測(cè)結(jié)果精確度，通常通過增大透射面積、多次反復(fù)透射并輔助CT 成像技術(shù)來圈定異常體的位置和范圍[6]。

2.2 槽波反射法探測(cè)

槽波反射法是槽波地震探測(cè)體系中重要的組成部分之一?；驹砣缦拢寒?dāng)槽波在煤層傳播時(shí)，如果遇到了具有波阻抗的分界面（地質(zhì)異常體），便會(huì)激發(fā)反射槽波，通過這些反射槽波信號(hào)的顯現(xiàn)形式和狀態(tài)可以間接推斷出地質(zhì)異常體的位置。與透射法不同，反射法的激發(fā)真元和檢波點(diǎn)均布置在同一條巷道，該方法可以探測(cè)識(shí)別煤巷兩側(cè)的小構(gòu)造，有較高的應(yīng)用價(jià)值，由于該方法的布置方式和探測(cè)特點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)用存在局限，因此應(yīng)根據(jù)探測(cè)需求來實(shí)施[7]。

2.3 滑行波勘探原理

滑行波勘探主要是從槽波探測(cè)資料中提取底板的信號(hào)信息，從而達(dá)到對(duì)隱伏構(gòu)造識(shí)別的目的。通常，全波場(chǎng)槽波包括實(shí)際接收槽波、橫波和滑行波，當(dāng)波場(chǎng)在煤層中傳播時(shí)，可通過分析速度來判斷是否來自圍巖滑行波（復(fù)合波）。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ陧數(shù)装宓膫鞑ニ俣群兔芏却笥谠诿簩又袀鞑r(shí)，會(huì)沿頂?shù)装鍌鞑亩a(chǎn)生滑行波，且是P 波也可以是S 波。該方法主要在煤層中激發(fā)且在頂?shù)装逯薪邮諉闻谟涗?，也可以接收到信?hào)較強(qiáng)的折射S 波和P 波，如圖2 所示。當(dāng)滑行波傳播遇到地質(zhì)異常體時(shí)，其信號(hào)參量會(huì)發(fā)生顯著變化（速度和能量等），基于以上因素并結(jié)合CT 成像技術(shù)，可以反演得到頂?shù)装鍢?gòu)造分布規(guī)律，從而達(dá)到探測(cè)目的[8]。

圖2 滑行波傳播示意圖

3 探測(cè)布置與數(shù)據(jù)處理

3.1 工程布置

該槽波地震探測(cè)使用的儀器為YWZ11 型礦井防爆地震儀，該儀器具有測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)處理反演后，能有效呈現(xiàn)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況，可以完全滿足探測(cè)需求。該槽波地震波探測(cè)在1111201 工作面進(jìn)行，探測(cè)范圍分為兩個(gè)部分：探測(cè)區(qū)域Ⅰ為軌道巷切眼處向外760m；探測(cè)區(qū)域Ⅱ?yàn)檐壍老顲G1118 導(dǎo)向點(diǎn)至CG1125 導(dǎo)向點(diǎn)向里80m、膠帶巷CJ1110 往里30m 至CJ1105 向外30m，長度570m，兩個(gè)探測(cè)區(qū)域合計(jì)探測(cè)長度約為1.33km。探測(cè)采用雙透+雙反的觀測(cè)方式，檢波點(diǎn)道間距設(shè)置為10m，炮點(diǎn)炮間距設(shè)置為20m，激發(fā)孔深為2.0m，具體觀測(cè)系統(tǒng)物理點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1 槽波探測(cè)物理點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

在明確工程布置后，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)運(yùn)輸、測(cè)量、打孔、安裝檢波器與儀器、放炮和收工的施工順序有序進(jìn)行。為了保證探測(cè)效果和施工方案，當(dāng)打孔時(shí)按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)定位孔口，盡可能在煤層中央位置打孔，并記錄特殊條件的調(diào)孔位置。同時(shí)，施工嚴(yán)格遵循《煤礦安全規(guī)程》及礦方相關(guān)安全規(guī)定，切斷施工區(qū)域所有電路并采取相應(yīng)安全措施。在施工后進(jìn)行工作量和質(zhì)量評(píng)述，設(shè)置一起采樣間隔0.1ms，記錄長度1.6s，發(fā)現(xiàn)所采集原始數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好，其中滑行波數(shù)據(jù)發(fā)育，槽波數(shù)據(jù)不發(fā)育，該部分施工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 施工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況表

3.2 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)槽波在煤層和頂?shù)装鍌鞑ブ杏龅降刭|(zhì)異常體時(shí)，其特征參數(shù)就會(huì)發(fā)生改變（能量、速度和頻率等），通過這些參數(shù)變化可以反演地質(zhì)異常體。數(shù)據(jù)處理對(duì)取得理想的探測(cè)目的至關(guān)重要。該探測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析依托中國礦業(yè)大學(xué)地球物理研究所研制的《槽波地震數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)ISSPro2022》。首先，根據(jù)實(shí)際激發(fā)震源和檢波點(diǎn)在實(shí)際中的位置建立空間觀測(cè)系統(tǒng)，然后初至矯正采集的數(shù)據(jù)，剔除空道、壞道及畸變數(shù)據(jù)；利用寬頻帶通濾波壓制P 波和S 波，分離出不同類型的槽波，消除聲波和工頻干擾等異常信號(hào)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行幾何擴(kuò)散矯正和吸收衰減矯正，用高槽波信噪比對(duì)透射單炮和反射單炮進(jìn)行記錄處理；最后進(jìn)行波場(chǎng)及速度分析合能量的對(duì)比分析，通過CT 成像技術(shù)進(jìn)行透射法和反射法成像，得出CT 成像圖并進(jìn)行資料解釋[9]。

4 探測(cè)結(jié)果分析

當(dāng)槽波地震探測(cè)應(yīng)用于工作面構(gòu)造解釋時(shí)，常以淺部滑行P 波能量CT 圖為解釋基礎(chǔ)。綜合分析礦井前期地質(zhì)資料和已掘區(qū)域的情況，該工作面槽波地震探測(cè)共圈定7 處異常區(qū)域，如圖3 所示。

圖3 探測(cè)區(qū)域Ⅰ滑行波能量CT 圖

4.1 探測(cè)區(qū)域Ⅰ

圖3 為探測(cè)區(qū)域Ⅰ滑行波能量CT 圖，共發(fā)現(xiàn)4 處異常區(qū)域。其中異常區(qū)1 位于靠近軌道巷和工作面的切眼附近，異常區(qū)2 位于CJ1118～CJ1121 導(dǎo)線點(diǎn)附近，礦井地質(zhì)資料顯示，兩處存在多條斷層，且該處單炮記錄中發(fā)現(xiàn)兩處的滑行波能量存在明顯變?nèi)踮厔?shì)，推斷異常區(qū)1 和異常區(qū)2 為底板斷層裂隙發(fā)育帶；異常區(qū)3 位于探測(cè)區(qū)域Ⅰ中CG1107 導(dǎo)線點(diǎn)附近，且該區(qū)域滑行能量波存在小范圍的異常響應(yīng)特征，推斷該處受到已揭露斷層影響，也可解釋為底板斷層裂隙發(fā)育帶；異常區(qū)4 位于探測(cè)區(qū)域Ⅰ南部，該處滑行能量波存在大范圍異常響應(yīng)，且前期地質(zhì)資料顯示該區(qū)域有大斷層顯現(xiàn)，推斷該處為底板斷層裂隙強(qiáng)發(fā)育帶，受斷層影響顯著。

4.2 探測(cè)區(qū)域Ⅱ

圖4 為探測(cè)區(qū)域Ⅱ滑行波能量CT 圖，共發(fā)現(xiàn)3 處異常區(qū)域。由圖可知，異常區(qū)5 位于探測(cè)區(qū)域Ⅱ的切眼附近，該處滑行波能量存在較大范圍的異常響應(yīng)，且該處有大斷層存在。而異常區(qū)6和7分別位于探測(cè)區(qū)域Ⅱ軌道巷CG1123～CG1123導(dǎo)線點(diǎn)和CG1123～CG1123 導(dǎo)線點(diǎn)附近，但兩處滑行波能量異常響應(yīng)范圍較小，可以推斷，異常區(qū)5 為斷層裂隙強(qiáng)發(fā)育帶，異常區(qū)6 和7 為斷層裂隙發(fā)育帶。

圖4 探測(cè)區(qū)域Ⅱ滑行波能量CT 圖

5 結(jié)論

該探測(cè)共劃分為兩個(gè)區(qū)域，其中，探測(cè)區(qū)域Ⅰ采集的滑行波數(shù)據(jù)較強(qiáng)，透射槽波和反射槽波較弱；探測(cè)區(qū)域Ⅱ采集的滑行波數(shù)據(jù)較強(qiáng)，透射槽波一般，但反射槽波較弱。

采用槽波透射法聯(lián)合反射法，對(duì)1010201 工作面內(nèi)的煤層構(gòu)造進(jìn)行反演，通過CT 成像技術(shù)，圈定7 處地質(zhì)異常區(qū)域并給予解釋。通過打鉆和后期揭露發(fā)現(xiàn)，7 處地質(zhì)異常區(qū)域均與前期解釋成果較為吻合，說明該槽波地震探測(cè)有效，可以為其他相近地質(zhì)條件的礦區(qū)提供探測(cè)思路。