槽波地震勘探在李雅莊煤礦構造探測中的應用

常英俊

(霍州煤電集團公司，山西　霍州　031400)

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·試驗研究·

槽波地震勘探在李雅莊煤礦構造探測中的應用

常英俊

(霍州煤電集團公司，山西霍州031400)

為探明李雅莊煤礦2-612工作面內的隱伏斷層及陷落柱展布，保障煤礦安全生產和合理回采，采用槽波地震透射法與反射法對2-612工作面的槽波響應特征進行研究。研究表明：通過槽波能量變化可繪得CT成像圖，分辨工作面內與煤厚相當的小構造，并綜合已有地質資料和工作面采掘資料，可預測判定斷層及陷落柱位置，確定了2-612工作面大、小斷層8個，待定異常區域1個。槽波地震勘探技術在李雅莊煤礦取得較好的應用效果，探測結果可作為煤礦安全回采的依據。

槽波地震勘探；透射法；反射法；頻散分析；頻譜分析；CT成像圖

隨著煤礦生產安全要求和機械化程度的提高，工作面內部小構造引起的安全和生產問題越來越突出[1-3]. 據國內外資料，造成開采不能正常進行的地質問題絕大部分是勘探階段未探明的小構造[4-6].本次勘探的主要目的就是查明霍州煤電集團李雅莊煤礦2-612工作面煤層中的隱伏斷層及陷落柱展布的情況，以保障煤礦安全生產和合理回采。

1　礦井概況

根據三維地震勘探成果顯示，李雅莊煤礦2#煤層總體形態為單斜，次級褶曲發育，預計幅度大于5 m褶曲2個，其中背斜1個，向斜1個。其中，位于上靳安村西北部的小型復向斜橫切2-6121巷，總體軸向NS，傾向WE，兩翼煤層傾角5°～8°.背斜軸部被F13、H=14 m斷層橫切。該背斜對煤層起伏變化有一定的影響，可能會對2-612工作面的回采產生影響，因此，需要采用槽波地震勘探的方法進一步探測該工作面區域的構造。

2　槽波地震勘探設計

為進一步查明2-612工作面內部的地質構造情況，選定此次勘探區域為2-612工作面315～819 m與1 000～1 270 m段。結合井下工作面和巷道建設的實際情況以及地質條件，本次槽波勘探選用槽波透射法及反射法相結合的觀測系統，其具體設計如下：

1) 在2-612工作面2-6122巷布置檢波點，道間距為10 m，共計96個檢波點。a) 第一天的檢波器編號：G50～G96(透射法，道間距10 m). b) 第二天的檢波器編號：G1～G48(透射法，道間距10 m).

2) 在2-612工作面2-6121巷布置炮點，炮間距30 m，共設計20炮。 a) 第一天的炮點編號：P1～P5(上巷右側壁)。b) 第二天的炮點編號：P1～P15.

李雅莊礦2-612工作面315～819 m段，1 000～1 270 m段的透射和反射聯合勘探任務，共計2天完成。第一天，勘探完成1 000～1 270 m段；第二天，勘探完成315～819 m段。

透射槽波地震勘探的觀測系統下炮點和檢波點之間的直射線密度分布圖見圖1，2.

圖1　1 000～1 270 m段射線密度分布圖

1 000～1 270 m段透射槽波地震勘探的觀測系統主要參數如下：道間距為10 m；炮間距為30 m；總道數為44；總炮數為5.

圖2　315～819 m段射線密度分布圖

315～819 m段透射槽波地震勘探的觀測系統主要參數如下：道間距為10 m；炮間距為30 m；總道數為48；總炮數為15.

3　槽波地震數據處理分析

3.1數據處理

槽波最大的特點是頻散，即槽波的傳播速度是頻率的函數。槽波的頻散特征在單炮地震記錄中

表現為較長的波列，且炮間距越大，波列越長，整個波列呈扇形狀。在理論上，勒夫型槽波的群速度頻散曲線中的極小值點(即曲線的駐點)對應的震相叫做埃里震相，其一般具有振幅強、頻率高和速度低的特點。

李雅莊礦2-612工作面透射槽波地震剖面記錄圖見圖3.圖3中縱坐標為時間，橫軸為地震道排列。圖中a)～d)分別取自不同的透射單炮地震剖面記錄，圖中實線代表槽波埃里相附近位置。圖3a)和圖3b)分別為2-612工作面315～819 m段槽波勘探的第7和第8炮的地震剖面記錄。圖3c)和圖3d)分別為2-612工作面1 000～1 270 m段第1和第3炮的地震剖面記錄。從圖3a)～d)的分析可知，整體上原始地震記錄中的槽波較為清晰，可見地震剖面記錄中不同地震道間的槽波的連續情況，其部分地震道的槽波能量較強，部分地震道中的槽波能量缺失。如果工作面內部隱伏地質構造(如斷層等)對槽波的傳播通道(煤層)存在較為明顯的阻擋，那么，部分地震道的槽波能量會缺失或明顯減弱；如果煤層厚度或夾矸分布發生變化，相應地震道的槽波的頻率、相位及群速度都會發生變化。

圖3　李雅莊礦2-612工作面透射槽波地震剖面記錄圖

3.2頻散分析

頻散是槽波的最大特征，它是在一定的圍巖、煤層物性組合下產生的，槽波的頻散特征里攜帶有圍巖、煤的速度和結構信息，通過頻散分析，不但可以證實槽波的存在，而且可以用來進行煤層結構及工作面內異常體的探測。

典型的透射槽波的頻散曲線圖見圖4，圖4橫坐標是頻率，縱坐標是群速度。圖4中不同顏色深度表示能量強弱(深色表示最強，淺色表示最弱)，強能量帶呈曲線狀分布，即為槽波的頻散曲線，同時圖4含有其他地震波的能量。

由于槽波主要在煤層中傳播，對于煤層中的地質異常體更為敏感，其能夠攜帶有效的煤層中的地質異常的信息。比如，當煤層中存在斷層等地質構造的阻擋時，會較大程度地引起接收到的槽波能量缺失，導致頻散曲線缺失；當煤層厚度變化或者夾矸分布變化時，槽波頻散曲線會發生相應的變化(頻率和速度變化)。從圖4可知，基階模式槽波埃里相頻率約在150～250 Hz范圍內，其速度約在950～1 200 m/s.

圖4　315～819 m段典型槽波的頻散分析圖(圖中曲線為擬合的頻散曲線)

3.3頻譜分析

頻譜分析是將時間域信號轉化為頻率域信號加以分析，其目的是把復雜的時間歷程波形，經過傅立葉變換分解成若干單一諧波分量來研究。

當煤層中存在較大地質構造而造成局部煤層通道阻斷時，該地震道的槽波能量就會缺失，僅留下體波(P波和S波)頻段的能量。

地震道信號的頻譜曲線及其炮集的所有地震道的平均頻譜曲線見圖5，其橫軸代表頻率，縱軸代表振幅。分析可知，體波(P波和S波)頻率約90～130 Hz、基階模式槽波頻率約150～250 Hz.

圖5　第1炮透射槽波地震記錄頻譜分析圖

圖5中上側曲線為當前地震道記錄的頻譜；下側曲線為炮集所有道記錄的平均頻譜曲線。

3.4槽波資料處理成果分析

目前，透射槽波的處理是基于不同震相的不同屬性的CT成像技術，其屬性參數主要有P波、S波及槽波埃里相的時間、振幅等。基于本次槽波勘探的地質任務和實際資料的品質及地質條件，同時，由于2-612工作面觀測系統(圖6)的特殊性及其它影響因素，2-612工作面采用透射槽波能量CT成像，結果見圖7.

圖6　透射槽波能量衰減CT成像直射線分布及成像結果圖

圖6中，小范圍淺色代表能量衰減較多區域，色差逐漸過渡，深色代表槽波衰減少。在實際地質結構中，當區域煤層結構穩定，成分單一時，槽波發育，即衰減少；當區域煤層結構受到破壞，即有頂底板圍巖或者其他非煤物質大量進入煤層中時，本來只在煤

圖7　李雅莊礦2-612工作面槽波能量衰減透射法CT成像地質解釋圖

層中傳播的槽波沒有了傳播途徑，最終導致槽波衰減多。

在2-612工作面315～819 m段勘探區域中共發現4個異常，分別如圖7中F-1，F-2，F-3，F-4所示。其中，F-1，F-2，F-4揭示了疑似斷層的位置；F-3為未知異常區域(地質資料尚不完全)。

在2-612工作面1 000～1 270 m段勘探區域中共發現5個異常，分別如圖7中F-5，F-6，F-7，F-8，F-9所示。5個異常可能為疑似斷層引起，斷層線揭示了疑似斷層的位置及走向。

4　結　論

1) 井下槽波地震探測距離大，可以較好地解決現有探查構造物探儀器探測距離不足的問題。

2) 依據槽波能量衰減過程可繪制出CT成像圖。槽波能量被吸收得越嚴重的區域往往是斷層帶或陷落柱發育區域。

3) 本次槽波地震勘探查明了2-612工作面315～819 m段和1 000～1 270 m段的煤層內部地質構造分布情況，其中大、小斷層8個，待定異常區域1個。

[1]楊真.基于ISS的薄煤層采空邊界探測理論與試驗研究[D].徐州：中國礦業大學,2009.

[2]程久龍,李飛,彭蘇萍,等.礦井巷道地球物理方法超前探測研究進展與展望[J].煤炭學報,2014,39(8):1742-1750.

[3]崔煥玉,朱建民.槽波地震技術探測煤礦地質構造[J].煤炭與化工,2013,36(1):79-81.

[4]胡國澤,滕吉文,皮嬌龍,等.井下槽波地震勘探-預防煤礦災害的一種地球物理方法[J].地球物理學進展,2013,28(1):439-451.

[5]樂勇,王偉,申青春,等.槽波地震勘探技術在工作面小構造探測中的應用[J].煤田地質與勘探,2013,41(4):74-77.

[6]廉潔,李松營,王偉,等.槽波地震勘探技術在義馬礦區的應用[J].煤炭科學技術,2015,43(12):162-165.

Application of Channel Wave Seismic Exploration to Structural Exploration in Liyazhuang Coal Mine

CHANG Yingjun

For the distribution of buried fault and collapse column in Liyazhuang coal mine 2-612 working face is proved, and the safety production and reasonable mining is ensured. In 2-612 working face, the wave response characteristics are studied by using channel wave seismic transmission method and the reflection method. Research shows that CT imaging map can be drawn by the change of channel wave energy, the same small structure with the same coal thickness can be resolved within the working face. The position of fault and subsided column can be predicted and judged by comprehensive geological data and mining data of working face. Eight faults and one abnormal region are identified in 2-612 working face. Channel wave seismic exploration technology has achieved good application effect in Liyazhuang coal mine. The detection results can be used as the basis for safe mining of coal mine.

Channel wave seismic prospecting; Transmission method; Reflection method; Dispersion analysis; Spectrum analysis; Images of CT

2016-05-23

常英俊(1968—)，男，山西汾西人，1991年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事礦井地質工作

(E-mail)fzszxjsk@163.com

TD166

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1672-0652(2016)06-0027-04