基于地震槽波透反射聯合勘探的斷層探測技術研究

張萬鵬 姚小帥 金明方

（河南能源化工集團研究總院有限公司，河南 鄭州 454060）

觀音堂煤礦位于豫西三門峽市觀音堂鎮，受區域構造影響，井田內構造發育，煤層厚度變化較大，煤層賦存不穩定。工作面上下巷在掘進過程中所揭露的斷層，向工作面內部延伸情況，尚缺乏有效的物探探測手段，鉆探手段施工成本高、周期長[1]，工作面內部構造發育情況成為制約礦井安全高效生產的關鍵因素。由于受井田范圍內地表屬丘陵地貌、地形高低起伏、落差較大、探測區域采深較大等因素影響，導致常用于煤礦構造探測的地面三維地震勘探結果與井下探測和工作面回采實際揭露情況差別較大，難以指導工作面設計、掘進和回采。無線電波坑透探測手段僅能通過工作面內部各區段對電磁波的吸收情況定性描述各部分煤層賦存情況，難以區分探測異常是煤層薄化、夾矸或是構造發育等，且分辨率較低[2-3]。因此，現有物探手段難以準確探測工作面內部構造發育情況，導致工作面常因煤層薄化、構造發育等因素，在回采過程中進行巷道改造，重開切眼，甚至放棄工作面，斷層成為影響礦井安全高效生產的主要因素之一。近年來，由于地震槽波探測距離遠、攜帶介質信息豐富等優點，廣泛應用于井下煤厚變化、斷層和陷落柱等地質異常的探查，地震槽波勘探手段在國內發展較快，尤其在斷層探測方面，探測優勢明顯，成果可靠[4-6]。本研究擬采用地震槽波勘探手段開展工作面斷層探測，為礦井開展工作面改造提供科學依據。

1 地震槽波探測原理概述

地震勘探是通過觀測和研究人工地震（炸藥爆炸、錘擊激發等）產生的地震波在地下的傳播規律來解決地質問題的一種地球物理方法。槽波地震勘探是利用在煤層中激發產生并且只在煤層中傳播的槽波來探查測區內斷層、陷落柱、煤厚變化和其他地質異常體的一種物探方法，服務于煤礦安全高效生產，是地震勘探的一個分支。

在煤系地層中，煤層與圍巖相比具有密度小、地震波傳播速度低的特點。煤與圍巖的密度，速度比值約為1:1.5～3 之間，表明煤層頂、底板界面是一個極強的波阻抗（即速度與密度的乘積）分界面。因此在煤層中激發的地震波除部分向三維空間輻射外，其余能量由于頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層之中，不向圍巖輻射，在煤槽中相互疊加、相互干涉，形成槽波，因為只在煤層中傳播，所以也稱為煤層波[7]。

槽波地震勘探可以用來探測煤層中分布的斷層、陷落柱等礦井生產隱蔽致災地質因素，也可以用于探測煤層厚度及其變化，為煤礦的安全高效生產提供科學依據。槽波地震勘探方法分為透射法和反射法，也可以將二者聯合使用。透射法與反射法聯合使用就是分別采用透射法和反射法對目標體進行探測和解譯，并綜合分析勘探成果，以期取得更好的槽波勘探效果，多用于地質條件或施工條件較為復雜的測區。若測區范圍較大，可以采用分次施工，反射法和透射法可分開進行，分別采用不同震源；若探測范圍較小，可以采用同時施工，同樣一條巷道布置檢波點和炮點，另一條巷道布置檢波點，共同使用一個激發震源，可同時接收（圖1）。

圖1 透射/反射聯合勘探原理平面示意圖

此方法是利用透射炮點S2 到檢波點G 的射線，對斷層進行透射觀測，用于估計與煤層厚度相比，斷層落差相對的大小；利用反射炮點S1 到檢點G的反射射線，確定煤層內斷層的位置和規模。

2 測區概況

觀音堂煤礦25050 工作面對應地表位于馬頭山余脈南麓，為山脊坡地地貌，地面標高+680～ +770m，等高線變化范圍較大，地面落差較大。25050 工作面位于25 采區軌道下山北翼，上臨25030 工作面采空區，下臨25070 工作面采空區，切眼臨近19090 工作面采空區下巷（圖2）。

圖2 25050 工作面平面位置圖

25050 工作面長約870m，寬約150～290m，埋深約600m，開采山西組二1 煤層，煤種屬焦煤，煤層厚度0～8.54m，平均3m，煤層賦存不穩定。煤層傾角10～15°，平均13°。煤層結構簡單。煤層偽頂為薄層狀泥巖，厚0～1.0m；老頂為大占砂巖，厚10～18m。直接底板為泥巖、泥砂巖互層，厚1.0～3.6m；老底為片狀細砂巖，厚20～30m。工作面地質條件較復雜，煤層底板起伏不平，上、下巷外段基本沿向斜一側走向布置，巷道掘進向里逾接近向斜軸部，受向斜影響，煤巖層產狀不穩定，斷層發育，斷層走向多與工作面走向平行。工作面中小型斷層發育，以正斷層為主。25050 工作面上巷與25030 工作面下巷間距40m，中加DF2 斷層，工作面外段處于DF2 斷層下盤，DF2 斷層呈尖滅趨勢，25050 上巷掘進260m 后DF2 斷層尖滅，巷道變方向進入斷層上盤。其余斷層落差較小。

截至地震槽波勘探時，25050 工作面剩余約280m。剩余區段構造復雜，煤層賦存不穩定。據巷道揭露顯示，上巷里段存在120m 煤厚小于1.5m 的薄煤區，切眼發育兩條落差大于4m 的正斷層，兩條斷層形成地壘構造，造成采場中部60m 范圍煤層被抬升至頂部，需破底推進，嚴重影響工作面的正常回采和原煤品質。為了探測切眼揭露2 條斷層向工作面內部的延伸、落差變化情況，擬開展地震槽波勘探，為礦井進行工作面改造提供科學依據（圖3）。

圖3 25050 工作面切眼地質素描圖

3 觀測系統設計、施工

25050 工作面外段煤層賦存不穩定，構造復雜。為取得更為理想的勘探效果，本次勘探采用透射法與反射法相結合的探測方法，對切眼揭露斷層向工作面內部的延伸情況進行探測。由于切眼所揭露的2 條斷層中，上方斷層距離上巷不足20m，為上巷探測盲區，因此，反射法勘探時將炮檢點間隔布置在工作面下巷，共設計施工炮孔27 個，孔距10m，檢波器孔28 個，孔距10m。透射法勘探在工作面上巷及切眼設計施工炮孔共36 個，孔距10m，與反射法共用檢波器孔（圖4）。本次槽波勘探工程實際施工炮點63 個，檢波點27 個，其中檢波點G3 為廢道，共采集1701 道地震數據。

圖4 25050 工作面槽波勘探觀測系統

4. 數據解譯

4.1 反射法數據解譯

槽波勘探數據反射槽波信號整體較弱，僅個別地震道反射震相清晰，給數據解譯帶來困難。但通過共中心點疊加技術，即把同一中心點的不同炮檢距射線數據經正常時差校正后進行迭加，既可提高信噪比突出反射震相。

槽波共中心點疊加圖成果圖（圖5）顯示，距上巷20～30m，沿工作面走向，存在一條反射震相（紅色虛線），延展長度約130m，清晰度和連續性欠佳，結合地質資料推測此反射界面為切眼揭露斷層向工作面內部的延伸。根據實揭資料，切眼中部還發育一條落差大于4m 的正斷層，但在共中心點疊加剖面中，沿斷層走向，未得到明顯的反射界面，推測該條斷層未向工作面內部延伸，或延伸距離較短。

4.2 透射法數據解譯

25050 工作面設計測線1108 條，實際施工測線972 條，拾取有效測線297 條。選取185Hz 進行槽波速度層析成像，得到槽波速度分布圖（圖6）。槽波速度分布圖顯示：槽波速度范圍750～1450m/s，其中波速大于1300m/s 的槽波高速區位于未回采區域里段的中上部，面積較大。根據波速與煤厚的關系，結合巷道實際揭露的煤厚、構造等資料，綜合分析，此高速區存在一條斷層或多條斷層，也可能為煤層薄化區。

圖5 25050 工作面反射槽波共中心點疊加圖

圖6 25050 工作面透射槽波速度分布圖

5 成果驗證

經回采驗證，靠近上巷斷層向工作面內部延伸范圍約為146m，切眼中部斷層未向工作面內部延伸，反射法解譯結果中預測延伸距離約為130m。透射法解譯結果中槽波高速區域為煤層薄化所致，回采過程中未揭露斷層。地震槽波勘探成果與實際回采揭露一致性較好。

6 結論

地震槽波勘探手段能夠用于斷層探測，探測效果較好，經回采驗證，預測結果可靠。在煤厚變化較大、構造發育等地質條件復雜區域，采用透反射聯合探測的方法，并在成果解譯過程中充分結合已揭露的地質資料，便能夠取得更為理想的探測效果。地震槽波勘探作為井下物探手段，目前，在煤厚、斷層和陷落柱等方面的探測技術已較為成熟，探測結果可靠，能夠很好為礦井安全高效回采提供科學依據。未來，應著重開展圍繞影響瓦斯、沖擊地壓和水害等致災因素的探測試驗，以期在煤礦災害防治的物探保障方面能夠發揮更大的作用。