基于槽波透射法CT成像的工作面煤厚預測

王繼來 楊開珍 崔偉雄 牛 歡 吳國慶

（1.陜煤黃陵礦業集團有限公司一號煤礦地測部，陜西 延安716000；2.中煤科工集團西安研究院，陜西 西安710000）

0 引言

煤炭作為我國的基礎能源，在國民經濟中占有重要的戰略地位。然而，我國煤礦開采條件復雜，煤礦災害問題日趨突出，其主要原因是不能準確地預測工作面內有何種地質異常。20世紀70年代以來，一些主要產煤國家相繼開展了各種煤礦地質構造探測方法，如槽波、坑透、地質雷達等[1-2]。目前地面常用的三維地震勘探方法受地形影響較大；其他井下物探方法也因探測距離短、準確率差等因素很難滿足生產需要；井下槽波地震技術順勢而發，憑借其施工方便、受影響因素小、精度高等優點，逐漸成為煤礦地質探測中最理想的物探手段之一。

1 槽波透射法

煤礦井下槽波地震勘探技術具有完整的理論基礎，煤層間的波導現象是Evison[3]于1955年在新西蘭煤礦首次發現。1963年德國Krey[4]分別從理論方面和實踐應用證明了煤層中槽波的存在槽波的大規模研究開始于20世紀70年代中期的德國、英國、美國、澳大利亞等，我國于1977年初開展了這方面的工作[5]。

槽波透射勘探法主要用于探測煤層的地質構造和內部異常，包括煤層厚度變化，夾矸石分布，大、小斷層，陷落柱，剝蝕帶等。槽波透射法所用的有效波是從震源透過煤層傳至接收點的直達槽波信號。如圖1所示，炮點與檢波點(接收點)布置在采區周圍不同巷道內，根據槽波的有無、強弱來判斷在相應的透射射線扇形區內有無構造異常。透射法探測距離約為煤厚的300倍，是目前最有效的探測方法之一。

圖1 透射法勘探示意圖Fig.1 Sketch of transmission exploration method

2 拉夫（Love）型槽波頻散分析[6-7]

拉夫型槽波是SH波干涉形成的，它的質點是在平行于煤層的平面、垂直于傳播方向的平面內作線性極化振動，是一種純SH波。對于三層對稱模型SH波干涉情況。上下彈性半空間為圍巖，密度與橫波速度分別為ρ1,vs1，切變模量為μ1，中間夾層為煤層，其相應參數為ρ2,vs2及μ2，厚度為2d。計算模型如圖2所示。

圖2 對稱三層模型Fig.2 Symmetrical three-seam model

取SH波滿足波動方程的位移場為：

其中 d—1/2煤厚，m；

vs1、vs2—圍巖與煤層的S波速度，m/s；

μ1、μ2—圍巖與煤層的剪切模量；

ω—圓頻率；

cL—拉夫波動相速度；

n—槽波振型階數。

圖3 頻散和煤厚關系Fig.3 Relation of dispersion and coal thickness

槽波最大的特點之一是頻散，其頻散現象主要由煤層特殊的結構所導致，如煤層及其相鄰地層各自的厚度和密度及體波速度。煤層和圍巖的滯彈性對槽波頻散的影響通常可以忽略，密度比的改變對頻散曲線的形狀影響同樣也很小。頻散信號的波形依賴于震源的頻譜、炮檢距和煤層結構的頻散特征，因此對槽波的頻散和吸收特征進行分析和研究可得到煤層和周圍地層的構造特征及煤層厚度等信息。

影響頻散的因素有很多，煤厚因素對拉夫波頻散特性影響十分明顯。隨著煤厚增大，Love波主頻段降低，同時對應于同一頻率波速降低，即同一頻率，波速隨著厚度增加而減小[8-9]。因此，當煤層變厚時，檢測到拉夫波就相當困難，分辨率也降低。從圖3還可以得到，不同頻率的拉夫波速度成像，對煤厚的敏感程度也是不一樣的。槽波的頻散特征里攜帶有圍巖、煤層的速度和構造信息。通過對獲得的槽波記錄進行頻散分析，不但可以證實煤層中槽波存在與否，還能用來對煤層中的地質構造及異常現象進行探測[10]。

由于不同的波在煤層中傳播速度不同，原始槽波記錄上首先接收到的是P波，然后是S波，接下來就是槽波，最后是槽波中的艾里相(Airyphase)。艾里相(Airyphase)頻率高，速度慢，是判斷槽波接收質量好壞的一個標志。如果接收到艾里相明顯，則可判斷接收到槽波質量較好，說明煤層穩定，煤厚較大；如果接收到艾里相(Airyphase)不明顯或接收不到，則說明槽波受到了擾動，可能是構造或煤厚變化所致。

3 應用實例

3.1 工作面概況

黃陵一號煤礦1001工作面位于一號煤礦十盤區中部，工作面東側為北一2#回風大巷，北部緊鄰1002工作面。本次探測工作所在的工作面回采2#煤，煤層平均厚度約2m。工作面計劃由西向東方向推進，工作面設計走向長2500m、傾向寬235m，煤層底板標高880～906m。煤層頂板為基本頂、直接頂和偽頂，偽頂多為泥巖和炭質泥巖；直接頂以泥巖、粉砂巖、細砂巖為主；基本頂（老頂）以中、細粒砂巖為主。底板為泥巖、砂質泥巖，也有少量炭質泥巖，層位穩定。

3.2 勘探設計

施工進風順槽時在1425m位置附近揭露煤層變薄現象，煤厚從2m變薄至1m甚至更小，在回風順槽相對位置也有類似情況，嚴重影響工作面回采。為了探明1001工作面內煤厚變化的范圍和其它異常構造，對1001工作面外部770m進行透射法槽波地震勘探。接收道距采用10m，進風順槽和回風順槽選擇炮間距為40m。炮孔深3m，藥量300g/炮，接收排列長度770m。

圖4 不同煤厚Love型槽波頻散曲線Fig.4 Lovechannelwavefrequencydispersioncurveof differentcoalthickness

3.3 頻散分析[11-12]

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。在估算出1001工作面圍巖與煤層縱橫波速度等參數后，根據Love型槽波頻散公式計算槽波的頻散曲線，求出各頻率上槽波的速度。1001工作面圍巖與煤層各個參數如表1所列。計算出的Love型槽波的頻散曲線如圖4所示。

頻散曲線中群速度極小值所對應的頻率是槽波埃里相的范圍。從上圖中可看到，煤厚2m的埃里相在300-500Hz之間，煤厚1m的埃里相在600-800Hz之間。槽波大部分能量分布在埃里相附近。

由實際數據中提取的頻散曲線包含較高的噪聲，其中噪聲成分主要分布在50～100Hz范圍以內，而1001工作面的Airy相位恰好在此頻率范圍之外。這樣只需要通過簡單的頻率域濾波或頻率-速度域濾波，就可以獲得較好的槽波形態（圖5）。可以明顯看到，槽波能量變強，特征明顯。經幾何關系計算速度為950m/s，和上面計算的頻散曲線埃里相速度基本一致，說明上述估計參數正確。對濾波后的數據就可以對其進行CT成像處理。

圖5 濾波后數據Fig.5 Dataafterfiltering

表1 圍巖與煤層參數Tab.1 Wallrockandcoalparameter

3.4 槽波CT成像

從本次采集數據看，槽波能夠完全穿透工作面，能量變化很小，說明工作面內部沒有5m以上斷層和陷落柱，3-5m的斷層也很少。對1m和2m的煤層，槽波在頻帶范圍和能量變化較大，相對容易區分，槽波在1m煤厚需要傳播一定距離才能使能量衰減。對于實際巷道揭露的煤層變薄區，能量變化較大是在進風順槽的R41樁號附近，與巷道中該位置由于煤層滑脫構造形成的小型逆斷層相對應。進風順槽R51-R62樁號內能量變化較為劇烈，該位置也正好與巷道揭露該區域煤層分叉的地質現象吻合。根據CT成像圖（圖6），煤層變薄的范圍較大，在進風順槽一側影響更甚，而在回風順槽一側的影響較弱，整個工作面絕大多數煤層厚度應在2m以上。根據巷道揭露煤層露頭情況綜合解釋出工作面煤層厚度賦存形態（圖7），并根據煤層厚度變化情況及本礦回采技術要求對停采線及新開切眼位置提出客觀建議，礦方采用后，經生產驗證效果極佳。

圖7 煤層厚度等值線圖Fig.7 The contour map of coal seam thickness

4 結論

綜合對透射槽波理論分析和實際工作面探測，可以得到以下結論：

（1）槽波具有頻散特性，煤層厚度對槽波頻散特性影響很大。隨后煤厚的增大，拉夫型槽波的主要頻段和Airy相頻率迅速向低頻移動。通過計算，得出1001工作面拉夫型槽波的頻帶范圍和Airy頻段，選取正確參數對數據進行濾波，保留了槽波的有效部分，得到了比較理想的成像效果。因此，選取合適頻段進行成像是槽波預測煤厚的一個關鍵。

（2）槽波透射法具有探測距離大的特點。1001工作面，接收排列長度770m，最大炮檢距超過1400m。解決了其他物探方法探測距離不夠的問題。

（3）本次1001工作面應用槽波透射法，查明了煤厚變化范圍和其他異常體情況。為1001工作的下一步生產提供了依據，為黃陵一號煤礦取得了巨大的經濟利益。槽波勘探法是一種新型的礦井物探方法，其應用范圍廣，干擾因素小。在傾角變化，厚度變化，圍巖巖性變化的情況下，也可以使用。該技術能夠解決綜合地質問題，有使用、推廣價值。

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