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(yè)有限公司 ，山西 長治 046606）

0 引 言

山西凌志達煤業(yè)有限公司位于山西省長治市長子縣色頭鎮(zhèn)境內，井田面積17.7 km2，生產(chǎn)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(wěn)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(chǎn)量較低，出矸石量較多。在礦區(qū)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(xù)體，即遇到地震波的波阻抗時，就會產(chǎn)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(xù)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(fā)點和接收點位于同一條巷道中。槽波反射方法的最大優(yōu)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(jù)特定的探測情況和目的，聯(lián)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(jù)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(qū)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(shù)據(jù)采集選用中煤科工西安院自主研發(fā)的YTZ-3 型存儲式無纜遙測地震儀，其主要參數(shù)如表1 所示：

表1 YTZ-3 型存儲式無纜遙測地震儀主要參數(shù)

根據(jù)15202 工作面內構造發(fā)育情況，采用全排列探測數(shù)據(jù)采集方式，可以實現(xiàn)有效探測數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)點放炮震動，各個接收點搜集信號數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)間隔時間為0.25 ms，記錄長度為2 s。全部激發(fā)點放炮施工后，對所有設備進行回收，完成井下現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)采集工作。

3.3 槽波數(shù)據(jù)處理

本次槽波數(shù)據(jù)處理采用GeoCoal 槽波地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。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(wǎng)格尺寸5 m×5 m。各個網(wǎng)格表示尺寸為5 m×5 m 的煤體的平均槽波振幅數(shù)值，再通過濾波處理方式對井下采集的原始數(shù)據(jù)進行后期處理，依次得到每個激發(fā)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(wǎng)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(qū)域表示槽波可穿透工作面的區(qū)域，表明工作面中該部分區(qū)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(qū)域表示槽波不能完全穿透或難以穿透工作面的區(qū)域，表明工作面中該部分區(qū)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(shù)據(jù)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(qū)域內能夠接收到槽波，其余部分數(shù)據(jù)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(guī)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(qū)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(qū)域內異常構造發(fā)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(qū)和3 個異常條帶，3 個強異常區(qū)分別對應已揭露的2 個陷落柱Q32、Q31，和1 個新發(fā)現(xiàn)的陷落柱CX1；3 個異常條帶對應 3 個新發(fā)現(xiàn)斷層 CF3、CF4 和CF5。現(xiàn)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(qū)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(qū)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(yè)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(qū)域內構造的位置，為井巷工程避開不利構造提供了依據(jù)，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(chǎn)系數(shù)，可以推廣到其他工作面的地質構造探測工作當中。