槽波地震探測(cè)在峰峰礦區(qū)的實(shí)踐與應(yīng)用

高飛

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司 河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

峰峰礦區(qū)位于河北省南部，太行山東麓。地處晉、冀、豫三省交界地帶，西臨太行山脈，東臨冀南平原，北臨洺水，南臨漳河，是我國(guó)重要的原煤生產(chǎn)基地。

峰峰礦區(qū)西側(cè)為山間盆地，東側(cè)是傾斜平原，最高海拔891 m，礦區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，其中原煤儲(chǔ)量尤為突出。礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)多為單斜及傾伏褶曲，以斷裂構(gòu)造為主，斷層相當(dāng)發(fā)育，該區(qū)由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用導(dǎo)致區(qū)域主要構(gòu)造呈北東—北北東向斷裂構(gòu)造發(fā)育。

井田內(nèi)開拓、掘進(jìn)、工作面回采期間揭露小構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，是影響工作面布置的主要因素。因此在工作面布置及回采前有必要提前查清內(nèi)部隱伏構(gòu)造，為工作面的布置及回采措施的制定提供可靠依據(jù)。

此次任務(wù)用槽波地震探測(cè)技術(shù)查明工作面構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的分布情況。

2 方法介紹

煤礦井下槽波地震探測(cè)技術(shù)具有完整的理論基礎(chǔ)，因其在實(shí)踐生產(chǎn)應(yīng)用中的突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，槽波地震曾經(jīng)是“七·五”煤炭部重點(diǎn)攻關(guān)課題之一，煤炭部也曾一度把槽波地震探測(cè)列為20 個(gè)重點(diǎn)推廣技術(shù)之一，并將其寫入綜采技術(shù)手冊(cè)。

槽波在煤層中激發(fā)，通過煤層傳播、衰減和反射，并在同一煤層中被接收。由于煤的密度和彈性波傳播速度一般小于煤層頂、底板的速度，所以在煤層內(nèi)激發(fā)的槽波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在煤層頂板和底板之間反射和疊加，從而形成了槽波。

槽波地震探測(cè)方法一般分為透射法和反射法2 種。

2.1 槽波透射法

目前透射法是槽波地震探測(cè)中基本的探測(cè)方法。透射法探測(cè)時(shí)，激發(fā)點(diǎn)布置在工作面的一條巷道內(nèi)，采集站布置在工作面的另一條巷道和切眼，如圖1~圖2 所示。

圖1 透射法探測(cè)原理平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of detection principle section by transmission method

圖2 透射法探測(cè)原理剖面示意Fig.2 Schematic diagram of detection principle section by transmission method

透射法主要用于探測(cè)工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造異常，其最大探測(cè)距離約為煤層厚度的300 倍。

2.2 槽波反射法

激發(fā)點(diǎn)和檢波器點(diǎn)布置在同一條巷道內(nèi)，激發(fā)震源后接收來自本煤層的反射槽波。通過識(shí)別分析這些反射槽波信號(hào)，就能分析出煤層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的分布情況，如圖3~圖4 所示。

圖3 反射法探測(cè)原理平面示意Fig.3 Plane schematic diagram of reflection detection principle

圖4 反射法探測(cè)原理剖面示意Fig. 4 The schematic diagram of detection principle section by reflection method

反射法主要用于探測(cè)煤層內(nèi)的各種大、小斷層，侵入體和巖墻等能形成反射體的地質(zhì)構(gòu)造異常，其最大探測(cè)距離約為煤層厚度的100 倍。

3 槽波地震探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

3.1 辛安礦112165 運(yùn)料巷槽波地震反射

112165 運(yùn)料巷掘進(jìn)過程中遇到多條斷層，其中f1 斷層落差15 m 左右，f2 斷層落差5 m 左右，巷道迎頭剛揭露1 條斷層，另外巷道下幫有1 條邊界大斷層，落差180 m 左右，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜。

此次槽波地震的目的是探明運(yùn)料巷下幫一定范圍內(nèi)落差≥1/2 煤厚的斷層的分布情況，為下一條巷道的設(shè)計(jì)與布置提供地質(zhì)資料。

依據(jù)探測(cè)目的，本次槽波地震探測(cè)沿112165運(yùn)料巷布設(shè)激發(fā)點(diǎn)及檢波器點(diǎn)，分3 段進(jìn)行探測(cè)。

（1） 外段下幫。測(cè)線長(zhǎng)690 m，布置激發(fā)點(diǎn)22 個(gè)，間距30 m，檢波器點(diǎn)22 個(gè)，間距30 m。

（2） 里段上幫。測(cè)線長(zhǎng)180 m，布置激發(fā)點(diǎn)9個(gè)，間距20 m，檢波器點(diǎn)10 個(gè)，間距20 m。

（3） 里段下幫。測(cè)線長(zhǎng)180 m，布置激發(fā)點(diǎn)9個(gè)，間距20 m，檢波器點(diǎn)10 個(gè)，間距20 m。

此次槽波地震探測(cè)測(cè)線長(zhǎng)1 050 m。

通過對(duì)此次112165 工作面槽波地震實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到槽波振幅能量衰減成像圖，如圖5~圖7 所示。圖中橫坐標(biāo)為巷道相對(duì)位置，縱坐標(biāo)為探測(cè)距離，等值線為能量衰減系數(shù)，用不同顏色表示，淺色表示能量衰減厲害，煤層連續(xù)性變差，即斷層反射面位置，深色表示能量衰減較弱，煤層相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。

3.1.1 外段下幫

圖5 為112165 運(yùn)煤巷外段下幫（690 m） 槽波能量成像圖，從圖中可以看出巷道揭露的f1 斷層反映明顯，邊界斷層f38 受f1 斷層遮擋，反映不太明顯，另外巷道邊眼附近存在一處地質(zhì)異常區(qū)，分析為216 運(yùn)煤下山揭露斷層向工作面的延伸。3.1.2 里段上幫

圖5 112165 運(yùn)煤巷外段下幫槽波能量成像圖Fig.5 Energy imaging map of lower trough wave in outer section of 112165coal roadway

圖6 為112165 運(yùn)煤巷里段上幫槽波能量成像圖，從圖中可以看出巷道揭露的f1 斷層反映明顯。

圖6 112165 運(yùn)煤巷里段上幫槽波能量成像圖Fig 6 Energy imaging map of upper trough wave in middle section of 112165coal roadway

3.1.3 里段下幫

圖7 為112165 運(yùn)煤巷里段下幫槽波能量成像圖，從圖中可以看出邊界f38 斷層反映明顯，另外，f38 斷層與巷道之間還存在1 處地質(zhì)異常區(qū)，斷層面反映不太明顯。

圖7 112165 運(yùn)煤巷里段下幫槽波能量成像圖Fig 7 Energy imaging map of trough wave in the middle section of 112165 coal roadway

3.1.4 綜合分析

圖8 為此次槽波地震探測(cè)綜合成果圖，探測(cè)范圍內(nèi)圈定4 處地質(zhì)異常區(qū)，其中1 號(hào)為112165 運(yùn)煤巷巷道揭露斷層f1 的延伸，斷層在巷道兩幫的反射面都比較明顯；2 號(hào)為巷道迎頭揭露斷層的延伸，該斷層反射面不太明顯；3 號(hào)為邊界f38 斷層的延伸，該斷層在里段反射面明顯，外段受f1 斷層影響反映不明顯，4 號(hào)為216 運(yùn)煤下山揭露斷層的延伸。

圖8 槽波地震探測(cè)綜合成果圖Fig.8 The comprehensive result map of trough seismic exploration

經(jīng)后期回采驗(yàn)證，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)斷層位置與實(shí)際揭露基本相符。

3.2 梧桐莊礦八采南部膠帶巷槽波地震反射

此次井下槽波地震探測(cè)工作地點(diǎn)為梧桐莊礦八采南部膠帶巷，探測(cè)長(zhǎng)度為260 m，巷道底板標(biāo)高為-590—-394.8 m，掘進(jìn)層位為2 號(hào)煤，平均煤厚為3.3 m，八采南部膠帶巷槽波探測(cè)區(qū)示意如圖9所示。

圖9 八采南部膠帶巷槽波探測(cè)區(qū)示意Fig.9 Schematic diagram of trough wave detection area of belt roadway in southern eighthmining area

探測(cè)的主要目的為查明膠帶巷掘進(jìn)方向左側(cè)一定范圍落差≥2/3 煤厚的斷層和長(zhǎng)軸大于20 m 的陷落柱的分布情況。

探測(cè)設(shè)計(jì)激發(fā)點(diǎn)20 個(gè)（S1~S20），激發(fā)點(diǎn)距10 m；S1 位于八采南部膠帶巷導(dǎo)向點(diǎn)J21 前35 m；設(shè)計(jì)檢波點(diǎn)25 個(gè)（G1 ~G25），道間距10 m；G1位于導(dǎo)向點(diǎn)J21 前30 m。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量有效激發(fā)點(diǎn)20 炮，藥量200 g/ 炮，同一段瞬發(fā)雷管，有效檢波點(diǎn)25 個(gè)。

圖10 為八采南部膠帶巷槽波地震探測(cè)CT 成果圖，圖中等值線為煤層內(nèi)槽波速度等值線。

圖10 八采南部膠帶巷槽波地震探測(cè)CT 成果圖Fig.10 CT result map of trough wave seismic detection in belt roadway in southern eighthmining area

由圖10 可知，此次探測(cè)探測(cè)范圍內(nèi)槽波速度比較穩(wěn)定。探測(cè)范圍內(nèi)激發(fā)點(diǎn)的有效檢波點(diǎn)都沒有觀測(cè)到明顯的槽波信號(hào)，這說明在探測(cè)范圍內(nèi)不存在大的地質(zhì)構(gòu)造。

3.3 羊東礦8267 工作面槽波地震透射

8267 工作面位于-850 水平五一區(qū)。東部、南部以大煤隔離開采防水煤柱為界，西部以8269 溜子道及X13-8465-1 陷落柱為界，北部以五二采區(qū)三條上山保護(hù)煤柱為界（圖11）。平均可采走向長(zhǎng)度1 007 m，傾斜長(zhǎng)度149 m，面積150 043 m2。埋深-628—-678 m，煤層厚度約5.5 m，煤層傾角約10°。

圖11 8267 工作面采掘工程平面示意Fig.11 8267 working face mining engineering plane diagram

采用槽波地震探測(cè)技術(shù)，查明8267 工作面內(nèi)部影響程度大于1/2 煤厚的地質(zhì)構(gòu)造的分布情況。如圖12 所示。

圖12 觀測(cè)系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic diagram of observation system

槽波地震探測(cè)沿8267 工作面溜子道里幫布設(shè)炮孔（S 點(diǎn)），炮間距20 m，共計(jì)38 炮；沿運(yùn)料巷里幫布設(shè)檢波孔（G 點(diǎn)），道間距20 m，共計(jì)38個(gè)檢波點(diǎn)，槽波地震探測(cè)測(cè)線總長(zhǎng)770 m。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量單孔激發(fā)藥量150g/炮，采樣間隔為0.25 ms，采樣長(zhǎng)度1 024 ms，單孔依次激發(fā)。

此次槽波解釋以槽波水平疊加為依據(jù)，結(jié)合巷道內(nèi)已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況，繪制8267 工作面槽波地震探測(cè)CT 成像圖，如圖13 所示。

圖13 8267 工作面槽波能量CT 成像示意Fig.13 8267 working face groove wave energy CT imaging schematic diagram

槽波能量CT 成像與實(shí)際揭露地質(zhì)情況對(duì)比，如圖14 所示，深色區(qū)域地震波能量吸收衰減值較大，為地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域。

探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)4 處地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)。

4 結(jié) 語

地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦工作面回采的主要因素之一。無線電波透視是一種在煤礦被廣泛認(rèn)可的可靠的物探手段，也是應(yīng)用最為廣泛的地質(zhì)探測(cè)手段，隨著大型工作面在煤礦被越來越多的設(shè)計(jì)和布置，無線電波透視由于受生產(chǎn)及客觀條件的限制，探測(cè)精度往往不盡人意，甚至不能達(dá)到探測(cè)目的。

圖14 槽波能量CT 成像與實(shí)際揭露地質(zhì)情況對(duì)比圖Figs.14 Comparison of groove wave energy CT imaging and actual geological conditions revealed

槽波地震探測(cè)技術(shù)近年來日趨成熟，已成為探測(cè)小斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體精度最高的技術(shù)。在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中，槽波地震技術(shù)的應(yīng)用為煤礦地質(zhì)異常探測(cè)提供了更多的探測(cè)手段和技術(shù)方法，同時(shí)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)也具有重要的意義。