槽波地震勘探在正利煤業14-1105工作面的應用

李宏宏

(山西焦煤集團 投資有限公司，山西 太原 030024)

槽波地震勘探技術經過多年的研究與應用，已發展成為一種成熟有效的物探方法，廣泛應用于煤礦井下構造探測中。郭銀景[1]等系統總結了槽波地震勘探技術在煤厚分析、夾矸判別、構造識別等方面的應用情況。劉毅[2]認為槽波地震勘探在探測精度和探測距離上優于其他礦井勘探方法，是目前煤礦井下有效的物探方法之一。武延輝[3]通過槽波勘探技術取得了有價值的探測成果，驗證了槽波地震在井下物探中的技術優勢。

本文主要是在工作面設計前，聯合運用反射槽波勘探法和透射槽波勘探法，對工作面內部地質構造進行探測，并通過巷探和鉆探相結合的手段進行驗證，為工作面設計提供科學參考。

1 工作面概況

山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司隸屬于山西焦煤集團投資有限公司，礦井位于山西省呂梁市嵐縣，井田面積9.26 km2,產能150萬t/a.

14-1105設計工作面位于正利煤業井下一采區，工作面以東為已回采完的14-1104工作面，以西為14-1106工作面，14-1104工作面膠帶順槽與14-1106工作面膠帶順槽間距240 m. 14-1105工作面設計開采4-1號煤層，平均煤厚3.26 m,走向近南北，傾向東，傾角6°～10°，平均8°. 煤層偽頂為砂質泥巖，中間夾薄層細砂巖；直接頂為細砂巖；基本頂為泥巖，顆粒變化較大；直接底為砂質泥巖，有極明顯的水平層理，半堅硬，含植物化石豐富。

煤層與圍巖間的界面，呈現出良好的地震波反射面，波阻抗差異較明顯，有利于槽波在煤層中傳播，且工作面寬度在槽波可傳播的范圍之內，槽波能量衰減相對小。因此，14-1105設計工作面槽波地震地質條件較好。

14-1106工作面膠帶順槽在實際掘進過程中揭露一條落差9 m的斷層，命名為F18，而在14-1104工作面膠帶順槽掘進過程中未揭露，初步判斷該斷層延伸至14-1105設計工作面內。因此，在14-1105工作面設計前急需探清F18斷層的影響范圍及程度，經過多方論證決定引入槽波地震勘探法進一步查明該工作面內的構造及其展布規律，為工作面采掘部署提供可靠依據。14-5105設計工作面示意圖見圖1.

圖1 14-1105設計工作面示意圖

2 槽波地震法勘探簡介

槽波地震法勘探是利用槽波在煤層中激發并產生、傳播并接收的方法，主要用于探測地質異常體，是一種煤礦特有的物探方法，其傳播距離遠、能量強、波形特征易于識別。尤其是在工作面設計前，可用于探測工作面內部可能存在的斷層、沖刷帶、陷落柱等地質構造，為工作面的設計提供可靠依據。多年的槽波地震法勘探實踐表明，我國大多數煤礦的煤層和頂底板巖石的物性條件均能形成良好的波導層，適用于槽波地震法勘探[4].

根據震源與檢波器安設位置的不同，槽波地震法勘探又可分為槽波透射法和槽波反射法。該次探測是槽波反射法和槽波透射法的聯合應用。

槽波是沿煤層傳播的一種導波，因此，如果煤層中的局部區域和其它區域之間存在物性差異，就會導致經過這一區域的槽波在傳播速度或能量上發生差異[2]，且變化的程度與地質異常體的類型與性質相關[5]. 透射槽波CACT成像技術正是利用這一原理，根據每條槽波射線的能量透射情況，反演出工作面內煤層的物性參數，再借鑒ART、SART、LSQR等CT算法，對工作面進行成像[6].

反射槽波法的原理是炮點在巷道側幫激發并產生槽波后，槽波將沿著煤層傳播，當煤層中存在地質異常體時，一部分槽波會發生反射，從而被與炮點布置在同一側的檢波器接收到[6]，形成反射線。反射槽波CDM成像方法正是基于這一理論，通過炮點、接收點、反射點構成的三角數學關系，根據接收到的反射槽波的傳播時間推斷出反射線的位置。這種成像方法精度相對較高。

以上兩種成像技術各有優缺點，在實際應用中往往結合使用。

3 探測方案設計

3.1 探測范圍及測點布設

該次槽波地震勘探分別在14-1104工作面膠帶順槽和14-1106工作面膠帶順槽側幫布置炮點和檢波點，其中14-1104工作面膠帶順槽布置測線1 710 m，14-1106工作面膠帶順槽布置測線1 160 m，探測測線總長度2 870 m.

兩相鄰檢波點之間的距離，與煤層厚度和探測范圍等因素有關，一般取平均煤厚的3～4倍，14-1105設計工作面平均煤厚為3.26 m，因此探測檢波點間距設置為10 m. 至于檢波孔徑，不同儀器要求的檢波孔規格不同，該次探測選用的儀器要求孔徑42 mm，孔深3 m；而兩相鄰炮點之間的距離，一般和道間距對應。綜合考慮14-1105設計工作面地質條件、選用儀器特點、施工工期及成像要求等經濟、技術指標，探測方案設計每隔10 m或20 m布置1個炮點，編號為S，炮孔深3 m，方向垂直于煤壁。為保障作業安全，單孔藥量為0.3 kg，共設計炮點172個。檢波點每隔10 m布置1個，編號為R,共設計檢波點289個，可以有效覆蓋探測區域。槽波探測測點布置表見表1.

表1 槽波探測測點布置表

3.2 施工方法

施工過程中，按事先標記好的測點位置布設儀器和檢波器。將檢波器連接到巷道錨桿上，檢波器與儀器之間用測線連接。在每個激發點(炮點)放炮，所有的檢波點均接收并記錄。數據采集儀器選用某研究院研制的存儲式無纜遙測地震儀，采樣間隔0.25 ms，記錄時長2 s.

14-1105設計工作面槽波地震探勘采集到有效數據172炮；測點布設289道，測線總長度2 870 m. 完成了方案設計的工作量，采集數據全部合格。

3.3 數據處理與解釋

3.3.1數據處理

采用某研究院研制的槽波地震數據處理系統對該次槽波地震勘探原始數據進行處理。將采集到的原始數據進行數據預編輯、初次校正、槽波能量擴散補償、寬頻濾波、波場類型和速度分析、頻散分析等處理后再進行反射槽波CDM成像和透射槽波CACT成像。

數據處理流程中速度分析最為重要，因為速度貫穿于槽波地震勘探數據采集、數據處理和資料解釋的全部過程。速度分析結果的質量，決定了成像效果和解釋結果的準確度。

數據處理后選用反射槽波CDM成像還是透射槽波CACT成像還需要進一步分析。以14-1105設計工作面S118炮數據為例進行初步分析，見圖2a)，實際采集到的數據中包含有部分噪聲，經過頻譜分析，發現噪聲成分主要分布在100 Hz以下。為了提高槽波的信噪比，將該工作面采集到的槽波數據進行帶通濾波后，可以明顯看到反射槽波與直達槽波能量變強，波形特征也更為明顯，見圖2b). 因此，這類數據經濾波處理后，可以進行反射槽波CDM成像。

圖2 S118炮濾波前后數據對比圖

以S56炮為例進行初步分析，見圖3a)，這是S56單炮記錄中顯示的一組波，由于槽波較強，折射縱波和橫波反映較弱。實際采集數據中也包含部分噪聲，經頻譜分析，噪聲成分主要分布在100 Hz以下。為了提高槽波的信噪比，同樣對該工作面采集的槽波數據進行帶通濾波后，可以發現經濾波處理后的槽波能量變的更強，波形特征也較明顯,見圖3b). 因此，利用濾波后的這類數據可以進行透射槽波CACT成像等處理作業。

3.3.2反射槽波CDM成像

在對數據進行濾波、增強等處理后，采用反射槽波CDM成像法對14-1105工作面進行反射成像，成像結果見圖4，圖中灰色區域為正常區域，亮色條帶為異常區域，一般對應著斷層或陷落柱的反射面。對異常區域進行有針對性的精細處理，并結合成像區域內反射槽波單炮記錄，可以確定反射界面相對準確位置及形態。

由圖4可見，通過對14-1105設計工作面反射槽波CDM成像，發現該工作面內存在兩處地質異常。其中，右側異常區與14-1106工作面膠帶順槽掘進過程揭露的F18斷層基本一致，并依據異常區形態特征推測了F18斷層在工作面內的展布情況；左側異常區域為14-1105工作面內隱伏地質異常，依據異常區形態特征并結合區域地質資料，推斷其為隱伏在工作面內部的正斷層，命名為CF1.

3.3.3透射槽波CACT成像

對14-1105設計工作面進行透射槽波CACT成像。按照工作面大小建立一個X方向為1 710 m，Y方向為240 m的模型，面元大小為5 m×5 m，因此，X方向有342個面元，Y方向有48個面元，每個面元代表一個5 m×5 m的煤層平均槽波振幅。對采集到的數據進行濾波，從中求出槽波從每一個炮點激發后，傳播到每一個檢波點的時間，即每條射線的傳播時間。將所有射線的傳播時間代入到CT算法中，進行數學運算，最終得到此模型上每個網格點的能量分布，成像結果見圖5，圖中灰色區域代表槽波能量能夠穿透工作面，說明工作面內部構造斷層落差較小或者相對簡單，亮色區域代表槽波能量低穿透區或未能透過去，表明有地質異常體的存在。

圖3 S56炮濾波前后數據對比圖

圖4 14-1105設計工作面反射槽波CDM成像結果圖

圖5 14-1105設計工作面透射槽波CACT成像結果圖

由圖5可見，14-1105設計工作面通過透射槽波CACT成像發現兩處地質異常。左側異常區域與反射槽波CDM成像發現的CF1斷層以及14-1104膠運順槽實際揭露的F36位置接近。右側異常區與反射槽波CDM成像控制的F18斷層產狀特征基本一致。

3.4 成果綜合解釋

煤層中的地質異常體在成果中具有多解性，需要根據反射槽波CDM、透射槽波CACT成像等方法初步圈出異常區范圍后，再結合工作面的相關地質資料對異常體進行合理解釋，才能準確地確定異常體所處的位置及范圍。

根據反射槽波CDM成像結果與透射槽波CACT成像結果，結合14-1104工作面膠帶順槽和14-1106工作面膠帶順槽實際揭露情況，該次槽波地震勘探共解釋出斷層4條，由北向南依次命名為F18、CF2、F36、CF1. 其中，F36斷層在14-1104工作面膠帶順槽掘進過程中實際揭露，落差1.3 m，與槽波解釋基本一致；F18斷層在14-1106工作面膠帶順槽掘進過程中實際揭露，通過槽波地震勘探修正了其展布規律；CF2斷層在14-1104工作面膠帶順槽掘進過程中實際揭露，落差2.1 m，通過槽波地震勘探修正了其展布規律；CF1斷層為槽波地震勘探新發現斷層，未發現其它地質異常體。構造解釋成果見圖6.

圖6 14-1105設計工作面槽波地震勘探構造解釋成果圖

4 成果驗證

該礦在14-1106工作面膠帶順槽施工到位后，施工一條探巷用于驗證CF1斷層，掘進108 m后，揭露一條傾角74°，落差11 m的斷層，證實了槽波地震解釋出的CF1斷層的存在；對于F18斷層的驗證，先是在14-1104工作面膠帶順槽和14-1106工作面膠帶順槽共施工11組33個鉆孔，基本控制了F18斷層走向后，又施工另一條探巷，掘進至161 m處揭露一條傾角83°，落差9 m的斷層，與槽波地震解釋一致，由此證實槽波地震法勘探在探測煤礦地質構造中的有效性。

5 結 論

槽波地震勘探在正利煤業14-1105設計工作面的應用，成功解釋出4個地質異常體，經鉆探和巷探驗證為4條斷層，并進一步確定了斷層在該工作面內的展布規律，該次探測對斷層的識別率達到100%，且未出現假異常體識別，為下一步采掘布置、工作面安全評價及現場管理等提供科學參考，同時也有利于資源的科學合理利用。