反射法槽波地震勘探技術在工作面探測中的應用

李 榮

(陽泉煤業(yè)集團沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500)

0 引言

華泓公司是由張家溝公司、華泓公司兩家煤礦公司整合而成的一個礦井，礦井剩余可采儲量為1 210萬t，目前9311回風巷已經掘進完畢，計劃在其東部布置9309工作面。根據(jù)地面三維地震資料在設計工作面存在延展較長的斷層，導致9309工作面的設計布置存在未知的地質構造隱患。為此決定進行井下槽波地震勘探工作，以查明9311回風巷東部的地質構造位置、延展等。

1 地質及水文地質概況

1.1 井田地層及可采煤層

華泓井田位于山西省沁水煤田晉城礦區(qū)西南部。根據(jù)地表出露、鉆孔勘探及井下揭露，井田地層由老到新發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系中、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。

礦井可采煤層為2#和9#+10#煤層，采區(qū)布置分煤層布置，目前主要開采9#+10#煤層，開采位置位于三采區(qū)北翼9315、9311工作面。

1.2 三采區(qū)北翼地質概況

三采區(qū)北翼井下西為落差0～4.5 m的F3斷層，南臨侯陵高速公路的保護煤柱，東臨東溝煤業(yè)的礦界，北至本礦礦界。本區(qū)域2#煤層不可采，9#+10#煤層老頂為K2石灰?guī)r，厚度7.5 m；直接底為砂質泥巖，厚度1.2 m；老底為細砂巖，厚度3 m。本區(qū)總體上呈現(xiàn)一個走向NW、傾向NE的單斜形態(tài)，在該采區(qū)中部發(fā)育有南部走向NW的向斜，兩翼傾角在2°～3°之間。根據(jù)三維地震顯示及實際揭露，本采區(qū)工作面內揭露落差大于5 m且控制可靠的斷層15條，對掘進和回采有較大影響(由于三維地震對落差小于5 m的斷層判斷可靠性較差)，其余均為小型正斷層，落差小于5 m。

1.3 9311東側構造情況及9309工作面設計情況

9311工作面的東側設計9309工作面，根據(jù)地面三維地震成果資料顯示，9311工作面東側有F8、3DF13兩條斷層，9309工作面傾向原設計1 848 m，9309的回風巷以F8斷層為邊界，方向與F8斷層走向大致相同，9309進風巷分為兩段設計，前一段與9311工作面的煤柱距離為50 m，以擺脫3DF13斷層對回采的影響，設計長度為1 008 m，后一段與9311工作面的煤柱距離為20 m，設計長度為840 m。

1.4 9309工作面兩順槽在掘進中的問題

9309回風巷在掘進至1 105 m時揭露一斷層，初步確定斷距大于20 m，繼續(xù)推進57 m后往西偏移30 m施工9309回風探巷，9309回風探巷掘至80 m處揭露一斷層，斷距也大于20 m，推測與第1次揭露的斷層為同一斷層，臨時決定將原9309切巷位置調整到距開口1 100 m處(圖2中第2次設計切巷位置)，同時在9311回風巷向9309工作面發(fā)現(xiàn)施工探構造鉆孔，間距為30 m，通過分析鉆孔資料，距9311回風巷70 m范圍內均無構造。鑒于此，在9311回風巷后700 m向9309工作面方向進行反射法槽波地震勘探，查明9309回風巷兩次揭露斷層的發(fā)育情況，解放呆滯資源，延長工作面，提高礦井回采率。

2 反射法槽波地震勘探方案

槽波是一種頻散波，它是在一定的圍巖、煤層物性組合下產生的[1]。在煤系中，煤層與圍巖相比具有速度低、密度小的特點。9#+10#煤層的頂板為石灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁質泥巖，煤層的速度、密度與上下圍巖有較大的物性差異，在地質剖面中，頂?shù)装鍘r層上下界面構成了高波阻抗界面，煤層是一個典型的低速夾層，因此在物理上構成一個“波導”，具備開展槽波勘探的前提條件。

2.1 勘探工程地質任務

為了查明勘探區(qū)斷距大于1/2煤厚的斷層位置、走向及延展長度和其他地質異常體，指導9309工作面的設計。

本次透射探測范圍為9311回風巷東部，測線沿9311回風巷布設，其回風巷探測長度為700 m。

2.2 野外數(shù)據(jù)采集方法

本次勘探采用YZD11礦用網絡地震儀，該儀器具有分布式超多道，多分量組合，主被動一體化等特點，其地震勘探系統(tǒng)。

系統(tǒng)包括

主機 YZD11-Z礦用本安型槽波地震與電法儀主機；

基站 YZD-11C礦用本安型槽波地震與電法采集站；

GZC150礦用本安型拾震傳感器；

GZD-3礦用本安型三分量震動傳感器。

系統(tǒng)的參數(shù)如下

通道數(shù)：16×n通道(支持可擴展)。

采樣頻率：0.5～50 kHz(2～0.02 ms)。

采樣點數(shù)：1K-無限長度，實時采樣，默認經驗采樣長度參數(shù)。

超前采樣點數(shù)：32、64、128、256、512、1024。

延遲采樣點數(shù)：32、64、128、256、512、1024。

前置放大器(固定/浮點/實時)：1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、16、32、64、128、浮點增益。

A/D：Δ∑24位。

理論動態(tài)范圍：180 dB。

觸發(fā)方式：內觸發(fā)(信號沿觸發(fā))/外觸發(fā)/，觸發(fā)能級可調。

輸入阻抗：20 MΩ。

最大輸入信號：±10 V。

內置充電電池，充滿可連續(xù)工作8 h以上。

波形顯示：道歸一化/文件歸一化。

工作時間：不低于8 h。

數(shù)據(jù)存儲：滿足10 kHz采樣率下，8 h實時采集數(shù)據(jù)量。

檢波器參數(shù)：高靈敏速度傳感器，頻響范圍滿足1～4 kHz。

基站存儲式、主機存儲。

2.3 槽波勘探工程布置

結合本次地質任務，為了較精確查明巷道揭露及工作面內隱伏的地質異常，采用全排列采集方案最大限度地接收有效數(shù)據(jù)，提高成像精度。

設計本次9311回風巷槽波反射法探測主要在9311回風巷布置炮點和檢波點。其中9311回風巷設計長度790 m，接收道距10 m，炮距20 m。

2.4 施工方法及工作量

針對巷道內部揭露情況和煤層的變化趨勢，在實際施工中，應將檢波器對接到靠近工作面一側的煤壁上[2]。炮孔方向垂直煤壁，深度2.5 m，單孔藥量0.2 kg。數(shù)據(jù)采集采用YZD11礦用本安型槽波地震儀，采樣間隔0.25 ms，記錄長度4 s，每個炮點激發(fā)，所有接收點均接收，具體布置方案見表1。

表1 槽波反射法探測測點布置一覽表

施工過程中，按照測點標記位置布設儀器和檢波器。測線布置完成后，放炮前其他人員撤離到安全地帶，由具有井下放炮資質的爆破人員負責放炮，整個施工過程按照安全規(guī)程規(guī)定進行作業(yè)，確保施工安全，所有激發(fā)點放炮完畢，回收全部設備后，本次施工井下資料采集結束。

2.5 施工技術措施

施工技術措施包括①施工前完成儀器的測試和年、月檢以及檢波器的測試等工作，保證儀器的正常運行；②嚴格按照設計炮點、檢波點設計，確保炮點、檢波點準確無誤；整個工區(qū)的每一個炮點和檢波點都有唯一的編號；③移動后的點位均在現(xiàn)場標在施工圖及班報上注記清楚；④成孔質量保證在設計要求內，裝炸藥之前要將鉆孔中的煤粉排除干凈，保證炸藥放到孔底，并用充實炮泥填充，保證炮泥不被沖出；確保良好的接收條件，保證檢波器和鋼釬充分耦合，保證檢波器有良好的接收效果；⑤每放一炮儀器操作員回放監(jiān)視記錄，進行現(xiàn)場質量監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)錯誤及不正常工作道要及時排除。充分利用地震現(xiàn)場處理工作站的監(jiān)控優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)質量變差時，要及時查找原因并采取措施，加以改善，以確保原始記錄質量；⑥設立專人做好班報、磁帶(盤)記錄和監(jiān)視記錄整理工作，應將炮點和檢波點位置展在平面圖上。做好磁帶(盤)、儀器班報、觀測系統(tǒng)等野外基礎資料的檢查驗收工作，為資料處理提供齊全準確的原始資料和圖件；⑦對于原始資料執(zhí)行操作員、項目組和技術質量監(jiān)督管理部三級檢查、二級驗收制度。交到處理站的原始資料是經過野外檢查、核對無誤并整理齊全的資料，處理員對該資料再進行一次100%的檢查后進行處理。

2.6 反射法槽波地震勘探工程量及效果評價

9311回風順槽礦方要求測量700 m，實際完成790 m，超額完成了本次槽波透射勘探的井下施工工作，井下現(xiàn)場工作量統(tǒng)計，見表2。

表2 井下現(xiàn)場工作量統(tǒng)計表

整個工作參照執(zhí)行《煤炭煤層氣地震勘探規(guī)范》(MT/T 897-2000)《地震勘探爆炸安全規(guī)程》(GB12950-1991)要求，本次槽波地震勘探設計共40炮，實際施工40炮，有效炮被評級后皆為甲級。槽波地震數(shù)據(jù)滿足本次勘探區(qū)域內的反射槽波地震勘探技術要求。

3 反射法槽波地震數(shù)據(jù)處理分析

本次槽波反射地震勘探中，共獲得40張反射槽波地震單炮記錄，全部為有效記錄。從井下現(xiàn)場記錄上分析，初步可判斷回風巷側幫內有斷層存在。

反射槽波數(shù)據(jù)處理和常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理相似，如振幅補償、直達波切除、濾波、反褶積、包絡計算、速度分析、動校正、疊加和偏移等，不同之處是槽波的反射處理要仔細分析反射槽波的特征，特別是頻率特征，一般槽波在傳播過程中如果遇上斷層面之類的阻擋便會有槽波反射回來，常常以埃里相為主，通過分析埃里相頻率利用窄帶濾波首先提取反射波，然后對此進行包絡計算，最后實現(xiàn)疊加和偏移。本次槽波勘探針對巷道不同區(qū)段選取的成像方式略有差異，但其最終目的皆為突出斷層異常顯示。

圖1為處理后的疊加剖面，從中可以明顯看到反射界面的形態(tài)，它表達了斷層的斷煤交線。

圖1 9311工作面回風巷側幫槽波反射疊加剖面

3.1 槽波地震勘探成果解釋

本次9311回風巷側幫槽波反射勘探，在反射疊加剖面上可以看出一條清晰的同相軸與回風巷方向一致。通過對比分析認為這是本次勘探發(fā)現(xiàn)的一條新的斷層，命名為CH-F3；由槽波在煤層中的穿透規(guī)律判斷出CH-F3的斷距大于2 m，延伸方向與9311回風巷方向大體一致，沿展長度620 m左右。

3.2 鉆探驗證情況

根據(jù)槽波地震勘探成果解釋，9309回風巷1 105 m處在原設計的基礎上往西偏移57 m，在第2次設計切巷位置基礎上往北延伸了345 m，形成了不規(guī)則形狀，如圖2所示。

圖2 9309工作面形成后示意圖

9309回風巷在掘進過程中對兩側構造情況進行了探測，同時結合9311回風巷對東側構造的探測

情況，繪制了斷層CH-F3的實際位置和解釋成果對比圖，如圖3所示。圖中黑色線代表斷層CH-F3解釋成果，灰色線代表鉆探驗證后斷層CH-F3的實際位置，最大的偏移距為9 m，符合規(guī)范和設計要求。

圖3 斷層CH-F3的實際位置和解釋成果對比圖

4 結語

反射法槽波地震勘探技術在華泓公司9311工作面的探測，為9309工作面的設計提供了地質依據(jù)，9309工作面的形成比第2次切巷設計位置解放了呆滯資源約6.5萬t，提高了礦井回采率，給企業(yè)增加利潤約650萬元。