厚煤層內(nèi)小斷層的反射槽波探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

蘇曉云

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦智能化已經(jīng)成為煤炭行業(yè)新晉熱點(diǎn)，智慧礦山、透明工作面等概念的提出也為各大礦業(yè)公司指出了智能化前進(jìn)的方向[1-2]?；夭晒ぷ髅娴刭|(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)探測(cè)是智能化、透明化工作面的重要前提與保障[3-4]。目前可以通過三維地震、井下槽波、井下坑透等物探方法對(duì)工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，其中槽波探測(cè)具有探測(cè)精度高，受井下環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)造探測(cè)的重要方法之一。

礦井物探定義的小斷層一般指垂直斷距在3 m 以下的斷層，這一類斷層一般小于半采高、半煤厚[5]。非智能化開采時(shí)期，可通過調(diào)整采煤機(jī)角度等方法進(jìn)行人工干預(yù)，以減少小斷層對(duì)工作面回采的影響。隨著煤礦智能化的推進(jìn)，大采高采煤機(jī)、快速掘進(jìn)機(jī)等智能化設(shè)備的應(yīng)用大幅提高了回采與掘進(jìn)速度，小斷層如果識(shí)別不清，將會(huì)對(duì)煤礦采掘效率與安全帶來較大影響[6-7]。在厚煤層、巨厚煤層礦區(qū)，透射槽波探測(cè)由于其原理限制，僅能探測(cè)斷距大于等于煤層厚度一半的斷層，對(duì)小斷層的探測(cè)效果一直不甚理想[8-9]，因此，還需要繼續(xù)研究厚煤層內(nèi)小斷層的探測(cè)方法。

反射槽波探測(cè)原理是利用槽波在煤層中傳播時(shí)遇到構(gòu)造后產(chǎn)生的反射波來探測(cè)前方的地質(zhì)構(gòu)造。近年來，反射槽波在中厚煤層內(nèi)探測(cè)較大斷層的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，如河南理工大學(xué)的一些學(xué)者利用包絡(luò)疊加法在義馬礦區(qū)開展反射槽波探測(cè)斷裂構(gòu)造，在5 m 厚度的煤層中，成功通過反射成像探測(cè)出0～15 m 的斷層[10-11]；趙朋朋等[12]在晉城趙莊煤礦5 m 左右厚度的煤層中，利用反射槽波進(jìn)一步驗(yàn)證了透射槽波解釋的斷層；楊輝[13]利用反射槽波在陽(yáng)泉和順礦區(qū)探測(cè)了5.5 m厚度的煤層中斷層的延伸；鮑遠(yuǎn)堂等[14]在凌志達(dá)礦4 m 厚度的煤層中利用反射槽波探測(cè)了斷層、陷落柱、撓曲3 種地質(zhì)異常。反射槽波對(duì)大斷層的探測(cè)已經(jīng)取得了一定的成果，但對(duì)小斷層的探測(cè)還缺乏成功應(yīng)用的案例，反射槽波能否有效探測(cè)厚煤層、巨厚煤層內(nèi)小于3 m 的小斷層這一問題亦一直存疑。為了探究厚煤層內(nèi)能否形成小斷層的反射槽波，以及最終的成像結(jié)果中能否識(shí)別到巨厚煤層內(nèi)小于3 m 的小斷層，本文擬通過對(duì)含小斷層的厚煤層、巨厚煤層模型進(jìn)行正演模擬，研究厚煤層、巨厚煤層條件下反射槽波波場(chǎng)特征，再選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，研究厚煤層、巨厚煤層內(nèi)小斷層的反射槽波探測(cè)效果。

1 模型建立

參考實(shí)際地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)了三層地質(zhì)模型，考慮到不同傾角的斷層具有不同的反映，因此，在煤層中設(shè)計(jì)了不同傾角的小斷層。頂?shù)装鍨?0 m 厚度的砂巖；煤層厚度分別為6 m（厚煤層）、20 m（巨厚煤層）；模型中均含有一條走向斷層，厚煤層中斷層落差為1.5 m，巨厚煤層中斷層落差為2.0 m，斷層傾角為45°和90°兩種。共設(shè)計(jì)了4 個(gè)模型：Model 1 為厚煤層45°小斷層模型，Model 2 為厚煤層90°小斷層模型；Model 3 為巨厚煤層45°小斷層模型，Model 4 為巨厚煤層90°小斷層模型。

參考我國(guó)常見的含煤地層巖石物理參數(shù)，設(shè)定砂巖頂?shù)装宓拿芏葹?.26 g/cm3，縱波速度為3 800 m/s。以河?xùn)|礦區(qū)和準(zhǔn)格爾礦區(qū)煤層物理參數(shù)為例，煤層厚度不同，密度和速度略有不同，詳細(xì)模型參數(shù)見表1。

正演模型如圖1 所示，模型大小為1 000 m×300 m（x、y方向），兩條巷道設(shè)計(jì)截面為4 m×4 m，長(zhǎng)度1 000 m，其中一條巷道布置激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，另一條巷道作為參照物，不布設(shè)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)。斷層位于工作面中部，長(zhǎng)度300 m，延伸方向與巷道平行。震源及接收序列位置如圖1 所示。

圖1 正演模型平面示意圖Fig.1 Schematic plane of the forward model

2 正演模擬

正演計(jì)算方法采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行正演計(jì)算[15-16]，網(wǎng)格大小為1 m×1 m×0.5 m，采樣時(shí)間間隔為0.5 ms，時(shí)長(zhǎng)1 s，震源位于巷道內(nèi)側(cè)幫煤層中部，采用主頻為150 Hz 的雷克子波模擬[17-18]。接收道距為10 m。震源的間距為20 m，采用全排列接收方式接收。圖2 是4 個(gè)模型的對(duì)應(yīng)的槽波記錄。

圖2a 為厚煤層45°小斷層模型的反射槽波記錄，可以看到最上方的波列為直達(dá)槽波，能量較強(qiáng)。除直達(dá)槽波外，第二、第三組波列是兩組反射槽波，先到達(dá)的是斷層反射槽波，后到達(dá)的是巷道反射槽波，巷道的反射槽波比斷層反射槽波能量更強(qiáng)，兩組反射均呈雙曲線形狀。最后一組及記錄右側(cè)波列是模型邊界造成的反射，與本文研究無關(guān)。正演圖2b 為厚煤層90°小斷層模型的反射槽波記錄，相比于45°斷層，直達(dá)波以及巷道反射槽波能量沒有明顯變化，僅斷層的反射有微弱的減弱。

圖2 正演模擬槽波記錄Fig.2 Forward simulation in-seam wave record

圖2c 為巨厚煤層45°小斷層模型的反射槽波記錄，可以看出，相較于圖2a 中6 m 的厚煤層記錄，巷道反射和斷層反射連續(xù)性有明顯減弱，能量也有明顯減弱，但仍然能夠分辨兩組反射槽波，且巷道的反射槽波能量依然強(qiáng)于斷層反射波。圖2d 中，巨厚煤層90°小斷層模型的巷道的反射和斷層反射進(jìn)一步減弱，是4 個(gè)模型中對(duì)斷層反映最弱的。本次模擬采用y分量接收，因此，在炮點(diǎn)附近的接收道上的反射槽波存在同相軸中斷現(xiàn)象，如圖2a 中第60 至80 道。這是由于Love 型槽波的振動(dòng)方向與其傳播方向垂直，而炮點(diǎn)附近反射槽波的傳播方向?yàn)榇怪庇谙锏雷呦虻膟方向，則其振動(dòng)方向?yàn)閤方向，因此，y分量檢波器接收到的反射槽波振幅較弱。

選擇傾角45°斷層頻率進(jìn)行頻譜分析，將6 m 厚度和20 m 厚度煤層中直達(dá)槽波、巷道反射槽波、斷層反射槽波的頻譜進(jìn)行疊加，疊加結(jié)果如圖3 所示。由圖3a 可以看出，6 m 厚度煤層中反射槽波能量主要集中在100～250 Hz，巷道反射槽波和斷層反射槽波的歸一化振幅值最大值約為0.3，是直達(dá)槽波振幅值最大值的二分之一。煤層厚度6 m，巷道高度4 m，斷層落差1.5 m，由此可知，反射槽波對(duì)于規(guī)模在1/4 煤厚以上的異常構(gòu)造，具有較強(qiáng)的探測(cè)能力。

圖3b 中，20 m 厚度煤層中槽波能量頻帶更寬，主要集中在100～300 Hz。巷道反射槽波的歸一化振幅值最大值約為0.3，與6 m 煤厚時(shí)變化不大，但斷層反射槽波的歸一化振幅值明顯減小，最大值約為0.15。煤層厚度20 m，巷道高度4 m，斷層落差2 m，由此可知，反射槽波對(duì)于規(guī)模在1/4 煤厚以下的異常構(gòu)造，仍具有一定的探測(cè)能力，但顯著弱于1/4 煤厚以上的異常。

圖3 不同煤厚頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis diagram

由以上厚煤層和巨厚煤層中單炮記錄和頻譜分析的結(jié)果可知，反射槽波對(duì)斷層落差或異常規(guī)模的要求較低，1/4 煤厚甚至更小落差的斷層仍能產(chǎn)生可識(shí)別的反射槽波，因此，使用反射槽波成像方法能夠獲得較好的異常成像結(jié)果。

3 成像及特征分析

反射槽波的成像方法研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，其中繞射偏移成像方法計(jì)算方法簡(jiǎn)單，相比其他方法有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[19-20]，因此，本次采用繞射偏移成像方法。

圖4a 為厚煤層45°小斷層模型的反射槽波成像結(jié)果，在y方向300 m、x方向400～800 m 范圍有一明顯橫向異常條帶，解釋為巷道反射；在y方向約150 m、x方向400～800 m 范圍有一明顯橫向條帶異常，解釋為斷層反射；x方向0～200 m 的縱向條帶異常為模型邊界效應(yīng)造成的虛假異常。由圖4 可知，巷道的反射界面及斷層的反射界面都較清晰，成像的異常位置與模型的巷道和斷層的位置也相吻合，表明反射槽波成像能夠明顯識(shí)別巷道和小斷層。圖4b 為厚煤層90°斷層模型的反射槽波成像結(jié)果。巷道的反射界面與斷層傾角為45°時(shí)沒有變化，斷層的反射界面異常稍有減弱，但依然能夠明顯識(shí)別巷道和斷層的反射邊界位置。

圖4 反射槽波成像結(jié)果Fig.4 Diffraction migration imaging of the in-seam wave

圖4c 與圖4d 為巨厚煤層的45°小斷層模型和90°斷層模型的反射槽波成像結(jié)果，y方向300 m 的巷道反射異常依舊明顯，僅范圍稍有變化；y方向約150 m的斷層反射異常明顯減弱，但依然能識(shí)別。圖4c 中，斷層反射較弱，斷層反射異常色調(diào)與背景色區(qū)分明顯；圖4d 中，斷層反射異常色調(diào)與背景色有小部分重疊。但總體上，4 個(gè)模型的反射槽波成像結(jié)果都能識(shí)別斷層的邊界位置。

綜合分析4 個(gè)模型的正演模擬結(jié)果及成像結(jié)果：4 個(gè)模型槽波記錄中均有明顯的巷道反射，無論煤層厚度是6 m，還是20 m，4 m 高度的巷道均能形成反射槽波，成像結(jié)果中也能明顯地識(shí)別巷道的位置。煤層厚度6 m，斷層落差1.5 m 時(shí)，在單炮記錄和反射成像上，斷層反射均較為明顯；當(dāng)煤層厚度20 m，斷層落差2 m 時(shí)，在單炮記錄和偏移成像上，斷層反射異常存在，但較弱，能識(shí)別。斷層傾角為45°，即斷層與煤層斜交時(shí)，斷層在反射槽波成像結(jié)果上較90°時(shí)更為明顯。

當(dāng)斷層落差小于等于1/2 煤層厚度時(shí)，透射槽波成像幾乎很難識(shí)別斷層。但只要煤層中存在斷層，就會(huì)形成反射槽波，利用接收到的反射槽波進(jìn)行成像，就能夠識(shí)別出斷層的位置，且斷層規(guī)模越大，成像結(jié)果越好。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 厚煤層探測(cè)試驗(yàn)

選擇在山西省河?xùn)|煤田某礦309 工作面回風(fēng)巷進(jìn)行反射槽波探測(cè)小斷層試驗(yàn)。該工作面開采二疊系山西組（P1s）2 號(hào)煤層，煤層厚度5.7～6.8 m，平均厚度6.0 m。煤層頂?shù)装寰鶠橹屑?xì)粒砂巖。探測(cè)時(shí)檢波器及激發(fā)點(diǎn)布置在巷道中部側(cè)幫上，接收道間距為10 m，共布設(shè)200 道。激發(fā)震源由300 g 礦用乳化炸藥激發(fā)，炮孔深度2.8 m，安裝炸藥后孔口用炮泥封堵，激發(fā)炮間距為20 m，共激發(fā)120 炮。地震儀選用YTZ3 型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

透射槽波探測(cè)結(jié)果（圖5a）顯示，工作面有較弱的異常，但無法判斷構(gòu)造的形態(tài)及規(guī)模。反射槽波成像（圖5b）中，工作面外段有一較強(qiáng)的反射槽波能量異常，綜合透射、反射資料，推測(cè)工作面內(nèi)可能有一落差較小斷層存在。最終，根據(jù)反射槽波成像結(jié)果，在工作面外段解釋了一條f16 斷層，落差小于等于3 m，延展長(zhǎng)度約300 m。經(jīng)礦方回采驗(yàn)證，在槽波解釋斷層位置，實(shí)際揭露了一條落差1.5～2 m 的小斷層。

圖5 厚煤層探測(cè)試驗(yàn)透射與反射槽波成像對(duì)比Fig.5 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the thick coal seam detection test

4.2 巨厚煤層探測(cè)試驗(yàn)

選擇在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田某礦進(jìn)行反射槽波探測(cè)小斷層試驗(yàn)。216 工作面開采石炭系太原組6 號(hào)（含6 上）煤層，煤層厚度為18～27 m，平均20 m。煤層頂?shù)装寰鶠橹屑?xì)粒砂巖。觀測(cè)系統(tǒng)布置情況為接收道間距為5 m，共布設(shè)120 道，激發(fā)炮間距為10 m，共激發(fā)60 炮。采集儀器為YTZ3 型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 巨厚煤層探測(cè)試驗(yàn)透射與反射槽波成像對(duì)比Fig.6 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the extremely thick coal seam detection test

根據(jù)透射槽波成像結(jié)果（圖6a）顯示，在三維地震解釋的F3 斷層區(qū)域有一微弱的透射槽波能量異常，但無法判斷斷層的延展方向和長(zhǎng)度。利用該斷層所在巷道進(jìn)行反射槽波成像（圖6b），發(fā)現(xiàn)該斷層反射槽波能量異常明顯，根據(jù)反射槽波成像結(jié)果對(duì)F3 斷層進(jìn)行預(yù)測(cè)，解釋該斷層繼續(xù)沿SE 走向向工作面內(nèi)部延展約140 m。經(jīng)礦方回采驗(yàn)證，在槽波解釋斷層位置，揭露斷層延展長(zhǎng)度與反射槽波探測(cè)結(jié)果一致，且落差最大僅3 m。

5 結(jié) 論

a.正演模擬與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，在構(gòu)造較簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件下，反射槽波能夠識(shí)別厚煤層、巨厚煤層內(nèi)的小斷層，但煤層厚度越大，小斷層的識(shí)別程度越弱。

b.與透射槽波法相比，反射槽波法在小斷層的識(shí)別上優(yōu)勢(shì)更為明顯。因此，反射槽波探測(cè)可以作為厚煤層、巨厚煤層內(nèi)探測(cè)小斷層的一種有效手段，為煤礦安全、高效、智能化采掘提供地質(zhì)保障。

c.在構(gòu)造較復(fù)雜地區(qū)，反射槽波能否探測(cè)小斷層反映還需進(jìn)一步研究。