槽波地震透射法在陷落柱探測中的應用研究

李廣義,焦 陽,衛金善,譚 菁,竇文武,李梓毓

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 成莊煤礦； 2.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 技術研究院，山西 晉城 048006)

陷落柱是巖溶空洞塌陷的產物，它的存在不僅影響煤礦生產，而且給煤礦安全帶來嚴重威脅。因此，在工作面回采之前，探明其內部陷落柱的賦存位置，對保障煤礦的安全高產高效至關重要[1]。

目前，采面內陷落柱探測的主要物探方法以無線電波透視為主，但其探測距離較短、縱向分辨率不高，且不能完成超寬工作面內陷落柱的精細化探測。槽波地震勘探作為一種高精度探測手段，具有探測距離遠、震源信號強、波形特征明顯、不受電力干擾、解釋精度高且直觀等特點，在煤礦井下的陷落柱探測中被廣泛的推廣和應用，前景廣闊，意義重大[2-5]。

1 槽波透射法探測原理及方法

1.1 探測原理

煤系地層中，煤層相對于圍巖具有速度低、密度小的特點，表明“圍巖-煤層-圍巖”結構中(見圖1)，煤層與頂底板界面形成一個極強的波阻抗分界面。當震源在煤層中激發了體波，包括縱波(P波)和橫波(S波)，地震波在煤系地層中傳播形成了以煤層為中心的低速“槽”或低速“波導層”，激發的部分能量由于頂底板界面的多次全反射被禁錮在煤層及其鄰近的巖石中，不向圍巖輻射，在煤槽中相互疊加、相長干涉、形成一個強的干涉擾動，即槽波(見圖2)。槽波以煤層為波導沿著煤槽向外傳播，又稱為煤層波或導波。

α -入射波入射角；β -透射波透射角；i0-臨界角；V1、V2-介質波速圖2 槽波形成示意圖Fig.2 Channel wave formation

根據物理構成和極化特征，煤層中可能形成P-SV和SH-SH兩類干涉振動或槽波，作為簡正振型傳播于煤層中。其中，將P波與SV波在煤層中形成的干涉波稱為Rayleigh型槽波(簡記為R波)，R波質點在垂直于煤層面、平行于傳播方向的平面內振動，既有水平分量又有垂直分量，質點振動軌跡一般呈逆行橢圓狀；將單一的SH波在煤層中形成的干涉波稱為Love型槽波(簡記為L波)，L波質點在平行于煤層面、垂直于傳播方向的平面內振動。目前，槽波探測和解析過程中，主要采集和應用Love型槽波[6-8]。

當槽波在煤層中傳播時，若煤體中賦存有斷層、陷落柱、破碎區等地質異常時，檢波器接收到的槽波信號會發生顯著變化，如振幅值、槽波速度等，大量槽波數據匯總、分析和CT，最終能辨別出地質異常的位置和形態，再結合現場地質資料和其它物探信息，對異常進行性質推斷，指導安全生產。

1.2 探測方法

槽波地震勘探根據探測目的不同，可以采取透射法、反射法和透射-反射聯合法等三種布置方式[9-10]。其中，槽波透射法是指將震源和檢波器排列布置在不同的巷道中，震源布置在一條巷道內激發，檢波器排列布置在另一條巷道內接受槽波(見圖3)。

圖3 槽波透射法勘探布置示意圖Fig.3 Channel wave transmission detection principle

2 槽波透射法探測陷落柱實例

2.1 工作面概況

晉煤集團某煤礦4313工作面順槽長度1 710 m，切眼寬度205 m，為3#煤層，平均厚度6.3 m，穩定可采。根據地面三維地震勘探資料，采面內無大型構造發育，但根據無線電波透視結果，采面內存在一定異常反應，主要異常地段位于停采線外20 m～100 m(圖4中異常1)，以及停采線內300 m～390 m(圖4中異常2)，推斷為陷落柱影響，但無法圈定其具體位置和范圍，整體縱向分辨率不高。為精確查明工作面回采范圍內陷落柱的賦存特征，針對4313工作面停采線內的600 m范圍展開槽波透射法勘探。

圖4 4313工作面主要異常地段的無線電波透視成果Fig.4 Radio wave perspective results of major abnormal sections on No.4313 working face

2.2 觀測系統布置

槽波探測觀測系統需要根據設備數量、施工條件、探測精度等因素進行設計，綜合確定震源和檢波器的布置位置、道間距、炮間距等。本次4313工作面主要采用槽波透射法進行勘探，測線長度600 m，為準確推斷短軸大于20 m的陷落柱和斷距大于3 m的斷層，在43131巷布置炮點30個，炮間距為20 m，43133巷布置檢波點32個，道間距為20 m，且每個檢波器采用雙分量接收震波數據。

2.3 槽波數據分析

圖5為本次槽波探測采集到的原始單炮記錄，以第21炮的Y分量數據為主，可以看出：根據煤巖層中地震波的傳播速度不同，首先接收到的是縱波，波速約3 800 m/s，之后是橫波，波速約2 200 m/s，接下來就是槽波，最后是能量最強、速度最慢的艾里相，結合頻譜分析，通過傅里葉變換，計算出區域震波的頻率范圍為50 Hz～250 Hz，槽波主頻集中在120 Hz左右。另外，由于第2～5個檢波器接收到的槽波射線穿越陷落柱，其槽波能量衰減嚴重，艾里相位清晰程度下降，且不連續，可以作為一個初判地質異常的依據，對后期的數據分析和成果解釋至關重要。

圖5 4313工作面單炮原始記錄(第21炮)Fig.5 Original single-short record of No.4313 working face (the 21st shot)

2.4 探采成果對比

本次數據處理采用槽波透射法能量分析，主要流程包括采集數據導入、觀測系統加載、槽波數據分析、地震數據編輯、槽波數據批處理、槽波參數提取等，之后得出探測范圍的槽波振幅值，采用CT層析成像方法繪制衰減系數云圖，根據衰減系數成像中的槽波能量變化特征，推斷地質構造的位置、范圍以及煤體變異情況。

圖6為槽波衰減系數層析成像圖。暖色區域表示槽波能量衰減嚴重，推斷為地質構造影響，綠色及冷色區域表示槽波能量均衡，推斷為正常煤體反應，最終圈定4處地質異常，命名為YC1、YC2、 YC3、YC4，圖6中紅色實線進行圈定。目前，工作面已回采完畢，地質異常推斷及揭露信息如下：

1)YC1位于4313停采線以里359 m～422 m，橫向跨度63 m，縱向跨度47 m，結合現場和地質資料分析，推斷為斷層影響區域，實際揭露為F141斷層(斷距約0.8 m)的影響區域。

2)YC2位于4313停采線以里340 m～410 m，橫向跨度70 m，縱向跨度75 m，結合現場和地質資料分析，推斷為斷層影響或煤體破碎區域，實際揭露為F114斷層(斷距約1.5 m)和F115斷層(斷距約2 m)的影響區域，頂板不好，煤體較破碎。

3)YC3位于4313停采線以里394 m～478 m，橫向跨度84 m，縱向跨度82 m，結合槽波資料中，穿越該區域槽波射線的振幅值衰減嚴重，艾里相缺失，以及無線電波透視法中，異常2(圖6中藍色虛線圈定的)的“V”字型場強衰減(符合陷落柱特征)，綜合推斷為陷落柱影響區域，實際揭露為一陷落柱(長軸為80 m，短軸為76 m)，影響范圍包含在粉色實線圈定區域內。

圖6 4313工作面槽波衰減系數層析成像圖Fig.6 Channel wave detection results of No.4313 working face

4)YC4位于4313停采線以里462 m～513 m，橫向跨度51 m，縱向跨度54 m，結合現場和地質資料分析，推斷為斷層影響區域，實際揭露為F133斷層(斷距約1.2 m)和F134斷層(斷距約2.2 m)的影響區域，煤體較破碎。

綜合槽波探測區域的探采成果對比，說明本次4313工作面的槽波透射法勘探效果良好，不但能夠有效反應斷層的影響范圍，而且能夠準確圈定陷落柱的賦存位置，相比于無線電波透視成果(圖6中藍色虛線圈定的異常2)，分辨率和準確率大幅提高，對采煤工作面隱伏構造的預測預報和安全回采意義重大。

3 結論

1)槽波透射法探測過程中，如果槽波射線穿越陷落柱等地質構造，檢波器接收到的槽波能量會大幅衰減，艾里相位清晰程度下降，且不連續，可以作為一個初判陷落柱地質構造的依據，對后期的數據分析和成果解釋至關重要。

2)槽波透射法探測技術，不但能夠探查斷層及其影響區域，對陷落柱的發育形態和影響范圍更能進行準確定位，相比于無線電波透視技術，大大提高了探測分辨率和準確率。

3)槽波地震勘探的探測結果直觀、明了，對陷落柱等地質構造的探測效果良好，可以有效指導安全生產，對采煤礦井意義重大。