辛置煤礦10-425工作面槽波地震探測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

牛園園

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦10-425 工作面位于東四左翼采區(qū)，東面為10-427 設(shè)計(jì)工作面，南面為H=40m 斷層，西面為南土壁保安煤柱，北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。10-425 工作面所采煤層為10#煤層，煤層均厚2.6m。煤層直接頂為泥巖及9#煤層，厚度2.9m；基本頂為K2 灰?guī)r，平均厚度7m，深灰色，厚層塊狀，含燧石條帶，下部含較多化石，且裂隙溶洞發(fā)育；直接底為中-細(xì)砂巖，灰白色，石英長石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，均勻?qū)永恚诌x中等，較堅(jiān)硬。工作面地表多為荒地，黃土覆蓋平均厚度280m，基巖平均厚度72m，無建筑物，無積水體。工作面整體為單斜構(gòu)造，北高南低，根據(jù)周邊地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析，掘進(jìn)過程可能受H=40m斷層伴生的斷層影響，同時(shí)還可能受到陷落柱的影響，對(duì)掘進(jìn)工作影響較大。現(xiàn)采用槽波地震技術(shù)對(duì)工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行具體探測(cè)。

2 槽波地震探測(cè)原理

2.1 槽波的形成

槽波勘探技術(shù)的物理應(yīng)用前景為煤層具有槽導(dǎo)性，不同煤層及其圍巖條件下的密度與速度數(shù)據(jù)如表1 所示。通過分析表1 可知，在煤系地層中的波傳播具有密度小和速度低的特點(diǎn)，能夠看出波在巖層中的介質(zhì)普遍大于煤層介質(zhì)的密度，具體槽波在巖層中的傳播速度約為煤層中傳播速度的1.5~3倍。

表1 煤層及其周圍巖體的密度與速度

由于煤層和其附近的圍巖會(huì)對(duì)地震波形成一定的制導(dǎo)作用，進(jìn)而使得部分地震波會(huì)在煤層中形成全反射，將波束縛在煤層中傳播。由于煤層為一個(gè)明顯的低速夾層，在煤層中激發(fā)了P 波（縱波）和S 波（橫波）時(shí)，會(huì)經(jīng)過多次全反射后，最終將激發(fā)的能量禁錮在煤層或者附近的巖石內(nèi)，使得各種波在煤槽中出現(xiàn)相互干涉和疊加，從而形成較大的干涉擾動(dòng)，即為槽波，槽波會(huì)以煤層作為波導(dǎo)沿著煤槽進(jìn)行傳播。

2.2 槽波地震勘探方法

槽波的地震探測(cè)方法主要包括反射法和透射法。當(dāng)煤層中激發(fā)的槽波傳播時(shí)，槽波會(huì)在遇到阻斷面時(shí)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，在被完全阻斷的情況下，此時(shí)不會(huì)形成透射槽波，但可形成反射槽波，在槽波被部分阻斷的情況下能夠觀測(cè)到微弱的透射槽波。槽波透射法和反射法的技術(shù)原理如圖1 所示。

圖1 槽波透射法和反射法原理圖

如圖1（b）所示，當(dāng)采用槽波的反射法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，將檢測(cè)器與震源布置在同一掘進(jìn)頭或者同一巷道內(nèi)部。在無斷層時(shí)，檢波器便不會(huì)接收到反射槽波；在斷層落差與煤層厚度相接近或者大于煤層厚度時(shí)，此時(shí)波導(dǎo)會(huì)被完全阻斷，存在明顯的反射槽波；在斷層落差較小時(shí)，接收到的槽波信號(hào)會(huì)相應(yīng)減弱。在采用槽波反射法進(jìn)行探測(cè)作業(yè)時(shí)，其有效的探測(cè)范圍為煤厚的200 倍，反射法進(jìn)行探測(cè)作業(yè)時(shí)對(duì)于落差大于煤厚一半的斷層其判斷的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到60%以上[1-2]。

根據(jù)待探測(cè)區(qū)域的詳細(xì)程度對(duì)最佳的觀測(cè)方案和最佳的排列參數(shù)進(jìn)行確定，如最遠(yuǎn)透射距、炮間距。道間距和偏移距等參數(shù)，最好通過試驗(yàn)確定，合理的道間距一般在5~30m 的范圍內(nèi)。在采用透射法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，該種方法能夠探測(cè)的最詳細(xì)的部位為探測(cè)區(qū)的中心部位，在可能具有地質(zhì)構(gòu)造的特殊區(qū)域應(yīng)采用減小道間距和減小炮間距等方式進(jìn)行加密觀測(cè)[3-4]。

當(dāng)待探測(cè)區(qū)域的最佳觀測(cè)方式和最佳觀測(cè)系統(tǒng)確定后，再開始使用透射法進(jìn)行探測(cè)，其在待測(cè)區(qū)域無構(gòu)造段能夠測(cè)定出圍巖的波速和煤層的波速，不僅能夠初步探測(cè)出煤層的構(gòu)造帶，同時(shí)能夠?yàn)楹罄m(xù)反射法探測(cè)得出數(shù)據(jù)的處理和解釋打下較好的基礎(chǔ)。

3 槽波地震探測(cè)方案及分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

10-425 工作面運(yùn)輸巷在實(shí)際掘進(jìn)過程中揭露了13 條落差高度在0.3~6m 范圍內(nèi)斷層，同時(shí)揭露了兩個(gè)陷落柱，在10-425 工作面的設(shè)計(jì)停采線內(nèi)運(yùn)輸巷揭露了3 條落差高度在0.5~5m 的斷層。現(xiàn)采用槽波地震探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面內(nèi)的構(gòu)造情況進(jìn)行有效探測(cè)。

本次10-425 工作面的勘探采用德國生產(chǎn)槽波地震儀，設(shè)置采樣長度為2048ms，采樣間距為1/8 ms，增益為18/40。為保證工作面透射探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，在工作面進(jìn)行兩次槽波地震探測(cè)，兩次將其對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)進(jìn)行互換巷道。為了充分探測(cè)到地質(zhì)異常體對(duì)槽波傳播特征的影響，將檢波器有效地分為上層和下層，下層檢波器垂直于底板安設(shè)，上層檢波器垂直于煤壁安設(shè)，分別進(jìn)行兩次探測(cè)。由于10-425 工作面設(shè)計(jì)的停采線距離工作面為1065m，從工作面開切眼的位置處開始標(biāo)記編號(hào)，共標(biāo)記107 個(gè)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置測(cè)點(diǎn)間的間距為10m，測(cè)量的總長度為1060m。

在進(jìn)行第一次探測(cè)作業(yè)時(shí)，通過在10-425 工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置檢波點(diǎn)，設(shè)置其道間距為20m，在運(yùn)輸巷內(nèi)布置炮點(diǎn)，將炮點(diǎn)間的間距設(shè)置為20m。本次探測(cè)作業(yè)的探測(cè)范圍為運(yùn)輸巷內(nèi)的44 號(hào)～106號(hào)測(cè)點(diǎn)的上部和底部650m 的范圍，回風(fēng)巷內(nèi)55號(hào)~95 號(hào)測(cè)點(diǎn)的上部和底部400m 的倒梯形區(qū)域，其最小透射距為150m，最大透射距為541m。具體10-425 工作面的探測(cè)區(qū)域和觀測(cè)系統(tǒng)的布置形式如圖2、圖3 所示。

10-425 工作面回風(fēng)巷從55 號(hào)測(cè)點(diǎn)的位置處開始布置檢波點(diǎn)，直至布置到95 號(hào)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)檢波點(diǎn)放置上下兩個(gè)檢波器，設(shè)置道間距為20m，共計(jì)在回風(fēng)巷內(nèi)布置21 個(gè)檢波點(diǎn)，打設(shè)42 個(gè)檢波鉆孔，布置42個(gè)檢波器。將下層檢波器布置在煤層底板中，鉆孔緊貼煤壁，且垂直于煤層底板進(jìn)行打設(shè)，設(shè)置鉆孔深度500mm，直徑57mm；上層檢波器設(shè)置鉆孔直徑為57mm，深度為2000mm，布置在距離底板1.5m 的高度處。具體回風(fēng)巷內(nèi)檢波器的布置形式如圖4（a）所示。

圖2 10-425 工作面槽波地震探測(cè)區(qū)域示意圖

圖3 10-425 工作面槽波地震探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

工作面運(yùn)輸巷內(nèi)炮眼布置在44 號(hào)測(cè)點(diǎn)～106號(hào)測(cè)點(diǎn)，炮眼在距離煤層底板1.5m，設(shè)置深度2500mm，直徑為30mm，單個(gè)炮眼的裝藥量為250~300g，炮眼間的間距為20m。具體運(yùn)輸巷的炮眼布置形式如圖4（b）所示。

圖4 10-425 工作面內(nèi)檢波點(diǎn)和炮眼布置示意圖

在工作面運(yùn)輸巷內(nèi)按照S32~S1 的順序進(jìn)行放炮，每次放炮后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)，共計(jì)放炮32 次，即進(jìn)行32 次的數(shù)據(jù)采集。

第二次探測(cè)作業(yè)把工作面兩回采順槽內(nèi)的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)調(diào)，即為運(yùn)輸巷內(nèi)布置檢波點(diǎn)，回風(fēng)巷內(nèi)布置放炮點(diǎn)，其余各項(xiàng)鉆孔的參數(shù)、檢波點(diǎn)的安裝位置與角度、放炮順序等參數(shù)不變。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)工作面的槽波探測(cè)結(jié)果，得出第一次探測(cè)作業(yè)時(shí)工作面共計(jì)放炮32 次，接收到22 炮，第二次探測(cè)作業(yè)放炮53 次，接收到53 炮。具體槽波發(fā)射與接收射線在工作面的分布情況如圖5 所示。

圖5 工作面槽波探測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖

通過對(duì)10-425 工作面槽波探測(cè)數(shù)據(jù)處理后得出的三維效果圖（圖5）進(jìn)行有效分析能夠看出，工作面大致探測(cè)出2 個(gè)區(qū)域，分別為高速區(qū)和低速區(qū)。根據(jù)效果圖可知工作面前方約900m 的位置處為低速區(qū)，能夠根據(jù)槽波特征推斷出該區(qū)域?yàn)橄萋渲Ｔ撓萋渲拈L軸約為80m，陷落柱內(nèi)的充填物較為松散，進(jìn)而致使傳播速度偏慢。高速區(qū)是由于震波在巖石區(qū)域形成的。根據(jù)工作面現(xiàn)有的地質(zhì)資料可知，工作面前方約570~580m 的區(qū)域?yàn)閿鄬悠扑閹^(qū)域。該斷層與地質(zhì)探測(cè)時(shí)的斷層為同一斷層，落差為40m，該斷層的走向不大，并沒有貫穿工作面，據(jù)此進(jìn)一步驗(yàn)證了工作面槽波探測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性。

3.3 探測(cè)成果驗(yàn)證

10-425 工作面在回采過程中對(duì)開采揭露的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的記錄，基于記錄數(shù)據(jù)能夠驗(yàn)證工作面采用槽波探測(cè)技術(shù)結(jié)果的正確性，工作面實(shí)際回采過程中在開切眼前方573m 的位置揭露了斷層破碎帶，斷層破碎帶在工作面面長方向的長度為80m，采用了超前注漿加固的方式，保障了工作面順利推進(jìn)通過該斷層區(qū)域。在開切眼前方905m 的位置處揭露陷落柱，隨著工作面的向前推進(jìn)，得出該陷落柱的長軸為78m。基于上述記錄數(shù)據(jù)可知槽波探測(cè)技術(shù)得出的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的位置及范圍基本與實(shí)際情況一致，能夠有效地指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)作業(yè)。

4 結(jié)論

為充分了解10-425 工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況，采用槽波地震探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行探測(cè)，通過對(duì)槽波的形成和現(xiàn)有槽波探測(cè)技術(shù)的分析，結(jié)合10-425 工作面的具體情況對(duì)工作面的槽波探測(cè)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。根據(jù)槽波探測(cè)結(jié)果可知，工作面前方約900m 為低速區(qū)，該位置處為陷落柱，陷落柱內(nèi)的充填物較松散。工作面前方約570~580m 為高速區(qū)，該區(qū)域?yàn)閿鄬悠扑閹АＬ綔y(cè)結(jié)果對(duì)后續(xù)工作面的正常回采提供了指導(dǎo)。