槽波探測小斷層網絡復雜區方法研究與應用＊

劉勇勝 劉碩

（1.開灤能源化工股份有限公司，河北唐山 063000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

斷層是煤礦生產中最常見的一類地質構造，它是由巖石受力超過其強度時破裂，巖層相互擠壓剪切，形成了小斷層和伴生裂隙發育為主要特征的破碎帶[1]。斷層網絡復雜程度是評價斷層切割、破壞程度的重要指標[2]。工作面內小斷層網絡復雜區，小斷層和伴生裂隙發育，往往是誘發與礦井突水、瓦斯突出、應力集中等地質災害的重要原因。

1.小斷層網絡復雜區

斷層網絡復雜程度是指某一塊段對斷層切割、破壞的程度，常用的指標有斷裂密度、斷裂長度及斷裂強度等[3]。在煤礦井下工作面內隱伏小斷層網絡復雜區，斷層切割和破壞程度較高，小斷層和伴生裂隙發育，導致該區域煤層缺失或者變薄，對采煤造成嚴重影響。同時煤層頂底板被破壞，可能誘發礦井突水、瓦斯突出、應力集中等地質災害。

2.槽波探測技術

透射槽波探測法采用從震源透過煤層傳至接收點的直達槽波信號。激發點與接收點布置在采區周圍不同巷道內，根據槽波的有無、強弱來判斷在相應的透射射線扇形區內有無構造異常。槽波最大特征是頻散，即槽波的傳播速度是頻率的函數。具有頻散的槽波，相速度和群速度明顯不同。槽波相速度為相長干涉相位波前沿波導傳播的速度。槽波群速度是波的能量傳播的速度，由于波的能量與振幅的平方成正比，群速度相當于波列包絡極值傳播的速度。

槽波相對透射系數成像方法，通常是利用煤層中高頻槽波震相傳播能量相對于低頻槽波震相傳播能量的透射系數來量化異常體存在的可能性大小[4]。但由于部分區域槽波的高、低頻震相頻段相近，難以區分時，就要利用槽波在群速度的差異，定義其相對透射系數。相對透射系數成像圖中值越高，表示相對透射能量越強，煤層相對正常；否則，值越低，相對透射能力越弱，煤層中存在構造情況。

3.三維數值模擬

采用三層地質模型，中間層是煤層，煤層厚度為5m，頂底板為砂巖，沙巖厚度為10m。本次正演模擬的檢波點間距為10m，激發點間距為20m，時間采樣間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，同時激發縱波和橫波，采用主頻120Hz的雷克子波。模型介質為各向同性彈性介質，相當于品質因子為無窮大。采用交錯網格高階有限差分算法[5-9]。

圖1 順煤層方向平面圖

圖2 槽波相對透射系數成像

圖1為順煤層方向平面圖，模型中有7條斷層，都是正斷層，F1、F2、F3、F4、F6和F7斷層落差都為2m，F5斷層落差1m。

三維數值模擬S18激發點位于圖2風道中S18位置，接收點位于運道。S18激發后，在ab段，煤層連續，槽波能量正常，槽波相對透射能力強；在bc段受到F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7斷層影響，槽波相對透射能量弱；在cb段連續，煤層正常，槽波相對透射能力強。通過槽波相對透射系數成像，可以反演小斷層網絡密集區的位置。

4.應用實例

錢家營煤礦2822西工作面設計走向長1382.6m，傾向長179.8m，主采煤層為二疊系下統趙各莊組12-1煤。煤層厚度1.2m～7.3m，平均煤厚3.8m。

本次槽波地震勘探工程采用全排列接收方式，在風巷和機巷檢波器和激發點。檢波點采用10m接收道距共布置接收點222個，測線長度2210m。激發點采用20m間距，共布置激發點111個。

采用槽波相對透射系數成像方法進行數據處理，成像結果如圖3所示。圖中藍色區域為相對透射能量強，煤層相對正常；紅黃色區域為相對透射能力弱，煤層中存在構造情況。結合三維地質數值模擬結果和全區地質構造分布規律，在2822西工作面內解釋小斷層網絡復雜區2處。后經回采驗證，槽波解釋小斷層網絡復雜區1揭露斷層5條，落差1m～2m；小斷層網絡復雜區2揭露斷層6條，落差0.7m～3.8m。

圖3 槽波相對透射系數成像

5.結論

（1）煤層正常區域，槽波能量正常，槽波相對透射能力強，小斷層網絡密集區域，煤層變薄或缺失，槽波能量衰減，槽波相對透射能力減弱。

（2）槽波相對透射系數成像方法，通過槽波相對透射能力的變化，利用透射系數的高低差異，探測構造的位置及形態。在本次探測錢家營2822西工作面槽波勘探項目中取得了良好的探測效果，和回采驗證位置基本吻合。

（3）槽波地震探測技術可以有效探測工作面隱伏的小斷層網絡復雜區，為工作面安全回采提供地質保障。