槽波地震探測技術(shù)在窯街礦區(qū)油頁巖層構(gòu)造探測中的應(yīng)用

楊焱鈞

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

礦井地震類的探測技術(shù)有井下二維地震勘探、瑞雷波勘探、槽波地震勘探和微震勘探等多種類型[1]，其中槽波地震勘探方法因其信噪比較高，能夠探測1/2 煤厚以上規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)用最為廣泛[2-4]。槽波地震技術(shù)經(jīng)過煤炭科學(xué)總院西安分院、中國礦業(yè)大學(xué)等多個科研單位和高校的引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，已實(shí)現(xiàn)槽波地震技術(shù)硬件裝備與軟件配套的自主知識產(chǎn)權(quán)國產(chǎn)化，并將該探測技術(shù)大范圍推廣至國內(nèi)煤礦企業(yè)，成為煤礦礦井生產(chǎn)可靠的地質(zhì)保障技術(shù)[5-6]。

因槽波需要在垂向“高速-低速-高速”三明治式的“導(dǎo)槽”中傳播，通常情況下煤層為低速層、頂?shù)装鍨楦咚賹?，煤層與其頂?shù)装鍘r性的物性差異較大、波阻抗明顯，“巖-煤-巖”的空間結(jié)構(gòu)利于槽波在煤層中的形成與傳播[7]。煤礦礦山通過槽波地震探查斷層、陷落柱、薄煤區(qū)和采空區(qū)邊界的應(yīng)用文章常見諸報道，在非煤領(lǐng)域內(nèi)槽波地震的應(yīng)用文獻(xiàn)幾近為零[8-11]。窯街礦區(qū)金河煤礦在主采煤層開采之前需要提前開采上覆的解放層——油頁巖層，為探索槽波地震技術(shù)在非煤巖層（油頁巖層）構(gòu)造探測中的應(yīng)用效果提供理想的試驗場所。

1 油頁巖層槽波地震地質(zhì)條件

窯街礦區(qū)位于甘肅、青海兩省交界處的甘肅側(cè)，是區(qū)域重要的能源基地。礦區(qū)含煤地層窯街群在中生代之前未沉積，是在震旦系之上沉積的侏羅系以上地層，湖相沉積發(fā)育，以泥巖、頁巖、油頁巖、泥灰?guī)r為主體。窯街群“油A 層”屬于高油率油頁巖，可作為提取液體燃料的良好原料或直接燃燒用，具有顯著工業(yè)價值?！坝虯 層”位于主采煤層“煤二層”的頂部，為CO2、CH4等氣體在“煤二層”的賦存提供良好的儲氣條件。為保證“煤二層”安全高效回采，需要在開采“煤二層”之前先期開采“油A 層”，釋放CO2、CH4等有害氣體。

金河煤礦16119 工作面“油A 層”均厚6.2 m，巖層傾角0～16°，頂?shù)装迦鐖D1。油頁巖地層層狀結(jié)構(gòu)較明顯，圍巖與油頁巖地層之間在垂向上的物性差異較小，油頁巖與頂?shù)装鍘r性間的波阻抗不甚明顯，油頁巖槽波地震地質(zhì)條件一般。

圖1 金河煤礦16119 工作面綜合柱狀圖

2 工作面概況

金河煤礦16119 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中實(shí)際揭露斷裂構(gòu)造2 條，分別為F6-7斷層和F107-1斷層，揭露斷層信息詳見表1。根據(jù)巷道揭露資料分析，預(yù)計工作面內(nèi)小斷裂與節(jié)理較發(fā)育，影響工作面正?；夭?。超前精準(zhǔn)探查斷裂構(gòu)造在工作面內(nèi)的延展長度與展布特征對16119 工作面合理規(guī)劃、安全高效回采意義重大。

表1 16119 工作面揭露斷層情況表

3 資料采集與處理

1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

采用逐點(diǎn)激發(fā)、全排列接收的方法，在16119工作面進(jìn)風(fēng)巷、切眼和回風(fēng)巷圈閉的區(qū)域開展槽波地震現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。檢波器按照10 m 等間距布設(shè)，進(jìn)風(fēng)巷施工檢波點(diǎn)63 個、切眼施工檢波點(diǎn)12 個、回風(fēng)巷施工檢波點(diǎn)65 個。受巷道條件影響局部位置無法鉆進(jìn)有效炮孔，進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)30 個、切眼實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)2 個、回風(fēng)巷實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)31 個，詳見圖2。探測區(qū)域內(nèi)的槽波射線密度相對均勻，符合探測要求。

圖2 金河煤礦16119 工作面工程布置圖

2）資料精細(xì)處理

由于槽波地震數(shù)據(jù)采集的空間十分有限，施工場所限制在工作面切眼和兩巷之間進(jìn)行。直達(dá)P 波、直達(dá)S 波、R 型槽波、L 型槽波等地震波震相十分復(fù)雜，多波被同時記錄下來，它們相互疊加、干涉，給處理和分析帶來困難。針對原始槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行寬頻濾波、幾何擴(kuò)散校正等精細(xì)處理方法，壓制噪音與干擾，突出有效信號并提取多種可利用信息使得原始槽波數(shù)據(jù)具有較高的信噪比，并從中提取更為豐富、直觀的圖像和數(shù)據(jù)信息，顯著改善地質(zhì)異常推斷的結(jié)果、提高識別地質(zhì)異常性質(zhì)的準(zhǔn)確度和空間定位的精準(zhǔn)性。圖3（a）為原始槽波單炮記錄，信噪比較低，P波、S波和槽波相互混雜干涉；圖3（b）為精細(xì)處理后的槽波單炮記錄，信噪比顯著提升，P 波、S 波和槽波形態(tài)更為清晰。

4 數(shù)據(jù)分析與成像

通過頻譜分析、頻散分析、能量分析、極化分析和速度分析，識別和提取地震波的不同震相，特別是槽波的埃里震相成分。金河煤礦16119 工作面油頁巖層的槽波埃里相集中在120 Hz 附近，油頁巖層的槽波速度為1200 m/s。圖4 為編號S26 的槽波單炮記錄，明顯可見編號R124 至編號R130 道檢波器接收的槽波能量衰減甚至缺失，說明編號S26 激發(fā)點(diǎn)與編號R124 至編號R130 道檢波器之間的射線路徑上油頁巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化，結(jié)合巷道揭露情況，判定槽波能量衰減缺失由斷層引起的油頁巖層結(jié)構(gòu)變化所致。

圖4 S26 激發(fā)點(diǎn)槽波單炮記錄

槽波地震觀測系統(tǒng)將16119 工作面內(nèi)油頁巖層劃分為面元網(wǎng)格，通過各個面元內(nèi)的能量衰減量按照射線密度和投影長度被換算成具體的槽波能量衰減系數(shù)。各個面元內(nèi)的槽波能量衰減系數(shù)按照空間位置按照暖色表征高衰減量、冷色表征低衰減量的特征投影成像，結(jié)合巷道揭露資料可探測工作面內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化特征。圖5 為16119 工作面槽波能量衰減系數(shù)成像圖，綜合巷道實(shí)揭資料與成像成果解釋了F107-1斷層為逆斷層，走向NNE，傾向NWW，落差小于1/2 油頁巖層平均厚度，斷層在工作面延展長度約48 m，與F6-7斷層相交，屬于可靠斷層；F6-7斷層為正斷層，走向NWW，傾向SSW，落差大于1/2 油頁巖層平均厚度并小于油頁巖層平均厚度。斷層工作面延展長度約170 m，與F107-1斷層相交，屬于可靠斷層。

圖5 工作面槽波能量衰減系數(shù)成像圖

圖6 為A-A'回采切眼巷道素描圖，回采資料顯示采掘揭露F107-1斷層，205°∠73°，落差3～10 m，在工作面內(nèi)延伸長度52 m，與槽波解釋F107-1斷層的產(chǎn)狀、落差和截割關(guān)系基本一致，探測準(zhǔn)確度高；采掘揭露F6-7斷層，345°∠55°，落差2～4 m，實(shí)際揭露斷層延展長度182 m，與槽波解釋F6-7斷層的產(chǎn)狀、落差和截割關(guān)系基本一致，解釋斷層長度偏差12 m，探測準(zhǔn)確度較高。依據(jù)探測成果在工作面回采階段合理規(guī)避斷層構(gòu)造，提高煤礦回采效率，預(yù)測的頂?shù)装迤茙r區(qū)域與實(shí)際破巖范圍基本吻合，為16119 工作面順利回采發(fā)揮積極的指導(dǎo)作用。

圖6 A-A'剖面圖

5 結(jié)語

1）窯街礦區(qū)油頁巖地層層狀結(jié)構(gòu)較明顯，圍巖與油頁巖地層之間在垂向上的物性差異較小，油頁巖與頂?shù)装鍘r性間的波阻抗不甚明顯，油頁巖的槽波地震地質(zhì)條件一般。

2）通過幾何擴(kuò)散方法的振幅衰減補(bǔ)償提升油頁巖原始槽波記錄的信噪比，所得到的槽波能量衰減系數(shù)探測成果經(jīng)回采驗證與實(shí)揭資料基本吻合。表明經(jīng)過精細(xì)處理方法，在油頁巖層中開展槽波地震探測同樣有效。