槽波探測技術在濟寧陽城煤礦的應用

毛慶福，高學亮，劉 震

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272000）

濟寧地區很多煤礦開采地質條件復雜，次級斷層發育很多，給煤礦開采帶來很多困難，尤其工作面內未查明的隱伏斷層常常打亂正常開采計劃，拖慢施工進度，嚴重者危害煤礦安全，給煤礦生產帶來很大影響。

槽波地震勘探（In Seam Seismics，簡稱ISS）是利用在煤層中激發和傳播的槽波（或稱煤層波）探查煤層內的構造[1,2]（Dresen and Rüter,1994；劉天放等，1994），在探測斷層、陷落柱等構造方面效果好，由于在井下觀測，距離地質異常體近，比地面三維地震勘探更為精確，在探測距離和精度上也優于其他礦井物探方法。

從上世紀50年代槽波開始被發現[3]（Evison，1955），隨后很多學者對槽波性質進行了研究[4-6]（Krey，1962；Krey等，1982；Buchanan 等，1983）。1985年，德國WBK公司推出了分布式槽波數字地震儀SEAMEX85，加速了槽波的實際應用。國內槽波的研究始于上世紀80年代，中國礦業大學和中煤科工集團西安研究院等單位做了較多研究和應用工作[2,7]。近幾年，槽波研究越來越多[8-10]，因其良好的探測效果，在煤礦中的應用越來越普遍[11,12]。

1 槽波勘探原理

煤層和圍巖相比體現出速度小、密度低等特征，是一類具有代表性的低速夾層，形成了一個特殊的“波導”。在煤層中激發地震波，地震波在頂底板上會形成全反射，在煤槽內彼此進行疊加，從而形成槽波。因而槽波具有能量強、傳播距離遠的優點。

探測工作面內部構造一般采用槽波透射法。該方法在進行勘探時，接收排列和震源排列處于工作面兩側巷道中，在煤層內激發槽波。假如工作面內煤層正常，不存在地質異常，那么槽波就可以被檢波器成功獲??；當斷層的落差超過了煤層厚度，煤層就從整體上被切斷，通常在接收排列上不能有效的收到槽波；當斷層落差小于煤厚，煤層并未徹底斷開，在接收排列上依然可以獲取部分槽波，但槽波能量發生了明顯的減弱，速度也受到一定影響，這是槽波勘探的原理。

2 槽波振幅衰減系數CT成像方法

對透射槽波，槽波振幅衰減不僅與介質本身吸收有關，還受斷層、陷落柱等構造的阻擋影響，把構造的阻擋等同于介質吸收作用[13]，令其等效衰減系數為α。令槽波初始振幅為Ao，槽波傳播x距離后，振幅變為A，A可表示為：

一般來說，斷距大于二分之一煤厚的斷層、煤厚變化幅度大于二分之一煤厚的煤層等較大構造，對透射槽波能量的衰減很大，尤其對斷層、陷落柱構造，槽波振幅變化劇烈，所以槽波也一般用振幅變化判斷構造異常。

把煤層平面劃分為m個小矩形網格，假設區域內共有n條炮點檢波點射線穿過，射線穿過任意一個網格的長度是dij，對第j條射線則可形成振幅衰減系數向量方程[14]：

把所有射線方程組合起來則得到槽波衰減系數矩陣方程。衰減系數矩陣方程求解可采用代數重建技術（Algebraic Reconstruction Technique，簡稱ART）、聯合代數重建技術（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique，簡稱SART）或聯合迭代重建 技 術 （SimultaneousIterativeReconstruction Technique，簡稱 SIRT）等算法。

3 陽城煤礦1311工作面槽波構造探測應用

3.1 工作面概況

陽城煤礦1311工作面（圖1）設計走向長330m，傾斜寬186m，1311工作面傾角20°～26°，工作面標高-360～-580m。煤層為3號煤，煤層厚度6.9m，煤層結構簡單，頂底板以砂巖和粉砂巖為主，滿足透射槽波勘探方法的地質條件。根據三維地震資料，工作面周圍斷層較多。

圖1 1311工作面槽波探測測點布置圖（●炮點▲檢波點）

3.2 觀測系統布置

槽波理論最大探測距離是煤厚的300倍，所以該煤層槽波最大探測距離可達到6.9×300 m=2070 m，遠大于本工作面長度，所以槽波可用于該煤礦的超長工作面探測。原計劃沿工作面周圍巷道布置炮點和檢波器，但因現場特殊情況某些巷道段不能布置炮點或檢波點，實際觀測系統如圖1所示，皮帶順槽布置檢波器，軌道順槽布置炮點，檢波點間距和炮間距均采用10 m，實際布置檢波器孔25個，接收有效炮點33個。測點包圍了工作面，炮檢射線高密度覆蓋了探測區域，保證了探測精度。檢波器采用孔中氣囊式檢波器，孔深2 m，能夠使地震波不受煤壁松動圈衰減的影響，接收信號質量好，同時接收水平雙分量信號，利用Love槽波進行探測。

3.3 數據分析

選一炮數據進行初步分析，S25炮數據如圖2所示。

圖2 S25炮槽波波場分析

圖2 為典型的槽波記錄，槽波能量很強、發育很好，說明該礦煤層條件十分適合槽波發育，利于槽波探測。最先到達的是來自圍巖的折射縱波，經計算速度3100m/s，后面是折射橫波，速度為1500m/s，最后面能量最強的能量團是槽波，速度850m/s。

應用多次濾波法提取數據的頻散曲線（圖3），埃里相位速度為850m/s，和實際接收槽波能量團速度一致。槽波埃里相頻率在120～200Hz之間，槽波整體頻率范圍在100～300Hz之間，可選取此頻率段進行濾波。

圖3 槽波頻散曲線

當槽波在傳播過程中遇到斷層、陷落柱、采空區等異常地質構造時，槽波能量會發生改變。就斷層而言，若斷層斷距大于煤層厚度，煤層被完全斷開，則槽波無法穿透到達另一盤；當斷層斷距小于煤厚時，煤層沒有被完全斷開，槽波部分能量能穿過煤層。

圖4 S1炮數據異常顯示

圖4 S1炮數據中，皮帶順槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很強，而在R9處槽波能量急劇減小，說明在此處槽波遇到了斷層等構造阻擋造成能量減小，射線路徑上存在異常構造。

圖5 S3炮數據異常顯示

圖5 S3炮數據中，皮帶順槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很強，而在R9處槽波能量急劇減小，和S1炮相同，說明在此處槽波遇到了斷層等構造阻擋造成能量減小，射線路徑上必然存在較大的異常構造。

3.4 槽波振幅衰減系數CT成像與地質解釋

采用振幅衰減系數CT成像方法對槽波數據進行成像，圖6為槽波衰減系數CT成像圖，圖中藍色代表槽波能量比較強的區域，槽波衰減系數小，槽波正常穿過，紅黃色代表槽波能量弱的區域，槽波遇到斷層、破碎帶等構造阻擋，穿透能量急劇減弱，為構造異常區。

圖6右邊紅色條帶區域是1311工作面最大的異常帶，推測為落差大于煤厚的斷層，命名為CF1，該斷層在巷道揭露處為巖石（圖1），無法打檢波器孔，沒有布置檢波器，造成該區域為探測盲區，所以成像圖上沒有顯示異常，但是根據異常帶延伸趨勢，該巷道段揭露斷層是CF1斷層的一部分。其他斷層CF2-CF5異常較小，推斷落差小于煤厚二分之一。工作面回采后驗證CF1斷層解釋準確，斷層落差大小、延伸規模和實際揭露一致，CF2、CF4、CF5斷層和實際揭露基本一致，CF3斷層和實際揭露位置有些出入，原因可能是該斷層較小，槽波技術對落差大于煤厚二分之一的斷層探測精度較高，而對于更小的斷層精度較低。

圖6 1311工作面槽波CT成像及構造解釋圖（洋紅色線-槽波解釋構造）

4 結論

槽波技術對斷層構造反映敏感，探測準確度高，能夠查明工作面內小型隱伏構造，為煤礦開采規劃和安全生產提供保障。槽波振幅衰減系數成像方法對異常成像精度較高，是槽波成像的優選方法。濟寧陽城煤礦槽波發育好，煤層厚，槽波傳播距離遠、探測范圍廣，具有探測超長工作面的潛力，槽波技術在該煤礦及附近煤礦具有較高的推廣應用價值。