槽波反射技術在厚煤層撓曲構造探測的研究與實踐

杜 楠

（山西凌志達煤業有限公司 ，山西 長治 046606）

0 引 言

山西凌志達煤業有限公司位于山西省長治市長子縣色頭鎮境內，井田面積17.7 km2，生產能力1.50 Mt/a。目前開采15 號煤層，煤層厚度5 m 左右，因地質構造因素影響，工作面回采長度差別較大，寬度一般為220 m。15 號煤層賦存穩定，但局部有陷落柱、斷層。斷層大小形式多樣，給工作面回采帶來較大的困難，造成工作面產量較低，出矸石量較多。在礦區井田范圍內，還存在撓曲構造的影響，難于確定巷道開口位置等。所以，必須提高異常構造探查精度，以達到為巷道開拓及工作面回采提供地質保障的目的。

1 槽波反射法

采用槽波精細探測方法對工作面異常進行探查，其有效波信號即為槽波反射信號。如果在煤層中槽波傳播時遇到煤層中的不連續體，即遇到地震波的波阻抗時，就會產生反射槽波信號，因此，識別這些反射槽波信號可以直接判定煤層中不連續體位所處位置。圖1 所示為槽波反射法勘探示意圖。

如圖1 所示，激發點和接收點位于同一條巷道中。槽波反射方法的最大優勢是可在一個煤巷的兩側對小構造進行探測，這在采礦工程中的應用價值尤為高。因此，它是槽波地震探測技術的一個重要組成部分，槽波透射和槽波反射是相互補充的，根據特定的探測情況和目的，聯合作用效果最佳。

圖1 槽波反射法勘探示意圖

2 工程概況

2.1 15202 工作面基本情況

工程應用以15202 工作面的實際槽波數據為依托，綜合本礦實際地質資料，對異常構造進行槽波精細探測技術研究。

1）褶曲。井田內共有褶曲7 條，其中S6 背斜（色頭背斜）位于施工的15207 和15202 工作面之間，離工作面有一定的距離，傾角較為平緩。該背斜核部分布山西組地層，東西兩翼依次分布下石盒子組和上石盒子組地層。軸向近南北，由南向北穿越本井田，由15 號煤層東翼大巷把背斜軸分為南北部，背斜軸北部兩翼地層傾向西、東，兩翼地層產狀不對稱，西翼傾角4°～13°之間，東翼傾角2°～10°之間。背斜軸南部兩翼地層傾向西南、東南，兩翼地層產狀基本對稱，兩翼傾角3°～5°之間，在井田內延伸長度為3 680 m。

2）斷層。15202 工作面槽波施工區域附近，實見斷層9 條（落差0.3～6 m），落差較小。

3）陷落柱。15202 工作面掘進工作中，回風順槽揭露陷落柱1 個（Q30），從Q30 處向工作面內掘探巷，探巷揭露陷落柱1 個（Q32）。

4）巖漿巖。根據井下實際揭露情況，所需施工的工作面巷道內未見巖漿巖侵入。

2.2 槽波反射技術可行性

15202 工作面煤層同其圍巖的密度等物理性質存在一定程度的差異，因此其波阻抗也會相應地有一定程度的區別。在煤層同其圍巖之間的交界截面上，可以形成地震波的反射面，有益于煤層當中槽波的傳播，15202 工作面寬度在槽波傳播范圍內，能夠保障槽波能量衰減在較小范圍內，由此可以提高槽波的品質，達到較好的探測效果。因此，采用槽波反射技術對撓曲構造探測具有可行性。

3 槽波反射技術應用

3.1 工程布置

本次槽波數據采集選用中煤科工西安院自主研發的YTZ-3 型存儲式無纜遙測地震儀，其主要參數如表1 所示：

表1 YTZ-3 型存儲式無纜遙測地震儀主要參數

根據15202 工作面內構造發育情況，采用全排列探測數據采集方式，可以實現有效探測數據被最大限度地接收。檢波點每10 m 布設1 個，炮點每20 m 布設1 個，沿著15202 工作面運輸順槽、東翼回風大巷和15202 工作面回風順槽布置測線，共布設檢波點165 個，炮點80 個。詳細測點、炮點布設情況見表2。

表2 15202 工作面槽波探測測點布置一覽表

3.2 施工方法

現場探測施工時，將檢波器布置于巷道錨桿的露頭位置上，并保證其與錨桿具有良好的耦合效果。炮孔與煤壁垂直打設，設計深度為2.5 m，設計裝藥量0.3 kg。各個激發點放炮震動，各個接收點搜集信號數據，采集數據間隔時間為0.25 ms，記錄長度為2 s。全部激發點放炮施工后，對所有設備進行回收，完成井下現場探測數據采集工作。

3.3 槽波數據處理

本次槽波數據處理采用GeoCoal 槽波地震數據處理系統。首先按照工作面大小建立一個X、Y 方向分別為750、200 m 的模型，其網格尺寸5 m×5 m。各個網格表示尺寸為5 m×5 m 的煤體的平均槽波振幅數值，再通過濾波處理方式對井下采集的原始數據進行后期處理，依次得到每個激發點的槽波傳播到檢波點時間，也就是各條射線傳播時長。最后把上述各條射線傳播時長代入CT 算法迭代求解，以此得出模型當中各個網格能量分布情況。圖2 所示為15202 工作面槽波CACT 成像圖。

圖2 15202 工作面槽波CACT 成像圖

如圖2 所示，藍色等淺色區域表示槽波可穿透工作面的區域，表明工作面中該部分區域存在落差較小斷層或地質構造比較簡單；相反地，黃紅等深色區域表示槽波不能完全穿透或難以穿透工作面的區域，表明工作面中該部分區域存在落差較大斷層或陷落柱等較大地質構造。

15202 工作面采集的數據中槽波較弱，僅在回風順槽4 號導線點至5 號導線點，運輸順槽6 號導線點至7 號導線點之間的一段區域內能夠接收到槽波，其余部分數據中含槽波能量較弱，說明15202 工作面內整體較復雜，異常構造較多且規模較大。

由CACT 成像結果可以看出，已揭露的Q31 陷落柱以南至Q35 陷落柱之間，工作面的槽波穿透性較好，此段區域內無明顯異常構造；Q31 陷落柱以北至東翼回風大巷，整體上槽波穿透性較差，槽波衰減嚴重，說明此段區域內異常構造發育，存在陷落柱和多條斷層。

15202 工作面CACT 成像結果中存在3 個強異常區和3 個異常條帶，3 個強異常區分別對應已揭露的2 個陷落柱Q32、Q31，和1 個新發現的陷落柱CX1；3 個異常條帶對應 3 個新發現斷層 CF3、CF4 和CF5。現將陷落柱與斷層進行分述如下：

CX1 陷落柱：長軸70 m，短軸約60m，位于15202運輸順槽2 號與3 號導線點之間，距15202 運輸順槽約5 m，距東翼回風大巷約160 m。該陷落柱尚未揭露，在CACT 成像中反映比較明顯，為疑似陷落柱。

Q31 陷落柱：長軸約55 m，短軸約45 m。該陷落柱在15202 運輸順槽內有部分揭露，在CACT 成像中反映明顯。

Q32 陷落柱：由于該陷落柱位于測線邊緣，且成像結果受探巷的影響，無法查明陷落柱大小，但由CACT 成像結果可以看出，Q32 陷落柱在探測區內的面積小于原有推測，工作面在Q32 與Q31 陷落柱之間的一段區域內不存在明顯的異常構造。

CF3 斷層：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風大巷約70 m，工作面內延伸長度約60 m。該斷層在工作面內尖滅，在CACT 成像中有所反映，為可靠斷層。

CF4 斷層：走向NNE，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風大巷約200 m，工作面內延伸長度約150 m。該斷層向北交于CX1 陷落柱，向南尖滅，在CACT 成像中反映明顯，為可靠斷層。

CF5 斷層：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距離東翼回風大巷約350 m，工作面內延伸長度約110 m。該斷層向南交于Q31 陷落柱，向南尖滅，在CACT 成像中反映明顯，為可靠斷層。

4 結 語

通過對山西凌志達煤業有限公司15202 工作面槽波精細探測技術的研究，查明了探測區域內構造的位置，為井巷工程避開不利構造提供了依據，提高采掘布置方案的科學合理性，降低了巷道開拓成本，釋放更多的煤炭儲量，提高了開采效率。并且還可以減少安全隱患，提高安全生產系數，可以推廣到其他工作面的地質構造探測工作當中。