淺析槽波地震探測煤礦綜采面的應(yīng)用

翁海龍

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司保德煤礦，山西 忻州 034000)

0 引言

隨著煤礦對安全生產(chǎn)要求的不斷提高，本著“先探后采”的安全生產(chǎn)原則，利用煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)對保德煤礦81505工作面斷層及陷落柱等地質(zhì)異常體進行探明。

槽波地質(zhì)勘探最先是由Evison在煤礦井下進行試驗并發(fā)現(xiàn)[1]，隨后Krey綜合了地震波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律，并給出了地震波在煤層中傳播的數(shù)學(xué)公式[2]。隨著槽波地震勘探技術(shù)理論及裝備的優(yōu)化更新，其探測范圍和探測精度也隨之提高。目前已經(jīng)能夠探測出與煤厚近似大小的斷層以及其他小構(gòu)造，成為了煤礦井下勘探的一種可靠技術(shù)手段，近年來被廣泛應(yīng)用[3-6]，尤其是在隱伏構(gòu)造及小構(gòu)造的探測中，槽波探測能夠發(fā)揮其明顯優(yōu)勢[7-8]。

1 工作面概況

81505綜放工作面位于井田8號煤層的五盤區(qū)，北為原康家灘礦的采空區(qū)，南為五盤區(qū)集中大巷，東為81504綜放工作面，西為81506規(guī)劃綜放工作面。81505工作面走向1858 m，傾向240 m。工作面平均煤厚8 m。本次勘探范圍為81505整個綜放工作面，該工作面由一號回風(fēng)順槽、膠運順槽、回撤通道及切眼組成，如圖1所示。

圖1 槽波勘探區(qū)位置示意Fig.1 Location of trough wave exploration area

本次探測工作所在的81505綜放工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面內(nèi)煤層、圍巖、砂巖的物性(密度和速度)差異較大，故煤層與圍巖的波阻抗差異會很明顯。煤層與圍巖間的交界面會呈現(xiàn)為良好的地震波反射面，非常有利于槽波在煤層中傳播，且工作面寬度在槽波可傳播的最大距離范圍之內(nèi)，可以保證槽波能量不易衰減。

2 槽波地震勘探與槽波CT層析成像技術(shù)

2.1 槽波地震勘探

槽波地震勘探是一種可以在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，包含有槽波透射法和槽波反射法。它是探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法，也是地震勘探的一個分支。大小斷層、煤層尖滅、變薄、陷落柱、采空區(qū)、空廢棄巷道等類型的地質(zhì)異常都能通過探測分析出來。具有探測距離大、抗干擾能力強、地質(zhì)異常探測精度高、波形數(shù)據(jù)易于識別、最終成果直觀的突出優(yōu)點，尤其在探測準(zhǔn)確率和距離上在煤礦是很有優(yōu)勢的。

2.1.1 槽波透射法

槽波透射法是槽波地震法中最基本可靠也是最常用的一種方法，采用的有效波是從震源透過煤層傳至接收點的直達槽波信號。如圖2所示，爆炸點與槽波接收點布置在所需探測工作面不同巷道內(nèi)，根據(jù)槽波有、無，強、弱來判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構(gòu)造異常。

圖2 槽波透射法勘探示意Fig.2 Exploration of trough wave transmission method

2.1.2 槽波反射法

槽波反射法是反射槽波信號，簡單的說就是槽波可在煤層中傳輸，如遇不連續(xù)煤層，其傳播速度和密度就會受到阻抗而發(fā)生變化。識別出這些反射槽波信號，可以直接判斷出所測工作面中煤層變化情況，存在不連續(xù)體的具體位置。如圖3所示，槽波反射法可以在一條煤巷中向周邊范圍內(nèi)兩側(cè)進行小構(gòu)造探測，該方法在采礦方面的價值特別大，猶如透視眼，直接探測出來異常地質(zhì)構(gòu)造位置，是槽波地震探測技術(shù)的重要部分。

圖3 槽波反射法勘探示意Fig.3 Exploration of trough wave reflection method

槽波透射法與槽波反射法2種測量都有各自優(yōu)缺點，可以相互彌補不足之處，根據(jù)具體探測條件與目的聯(lián)合應(yīng)用效果最終得出所需探測工作面的地質(zhì)情況。

2.2 槽波CT層析成像技術(shù)

槽波CT技術(shù)就像是我們?nèi)粘ｓw檢的CT，此次該技術(shù)用于一種斷層掃描技術(shù)，是根據(jù)物體橫斷面一系列投影數(shù)據(jù)多層成像再通過數(shù)據(jù)處理而獲得物體橫斷面的圖像。可謂是由數(shù)據(jù)到圖像重建的高科技技術(shù)。根據(jù)不同的研究目的與需要，可以結(jié)合被測物體的具體情況，通過人工制造人為的地震，或依賴自然界地震來捕獲不同條件下介質(zhì)的分層與構(gòu)造圖像。

3 施工方法及技術(shù)措施

本次槽波地震勘探施工前后歷時共20天，測線長度共計4 010 m，布設(shè)檢波點402道，激發(fā)炮點151個；采集質(zhì)量較好的透射槽波數(shù)據(jù)，透視射線的密度高，可覆蓋整個勘探區(qū)域。該工作面煤層槽波發(fā)育較好，室內(nèi)處理解釋工作進展順利，基本查明了工作面內(nèi)構(gòu)造情況。

3.1 施工組織設(shè)計

結(jié)合本次任務(wù)需要，采用全排列采集方案就可以對工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)異常體進行準(zhǔn)確解釋。

本次81505工作面槽波地震勘探主要沿主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽巷道側(cè)幫布置炮點和檢波器，設(shè)計方案如下。

檢波點：81505工作面主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽均采用10 m接收道距，共設(shè)計檢波點402個(主回撤通道距離膠運順槽150 m范圍內(nèi)，由于泥水較多沒有布置測線)。

炮點：81505工作面主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽均采用30 m炮間距，設(shè)計激發(fā)物理點135個。在膠運順槽鉆孔中發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)可能存在巖性異常，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對回風(fēng)順槽炮點進行加密，從距主回撤巷道 190 m處開始加密，共加密25炮，炮間距15 m，所以共設(shè)計炮點160個。槽波探測工作面區(qū)域射線密度，如圖4所示。

圖4 81505工作面槽波探測區(qū)域射線密度Fig.4 Ray density of trough wave exploration area in 81505 working face

3.2 施工方法

針對巷道掘進情況、煤層的變化趨勢，在實際施工中要求檢波器與巷道側(cè)幫耦合要好。盡量保證檢波點和炮眼位置均靠向煤層的中部，垂直方向距離巷道底板可達2.5 m。設(shè)計炮孔深為3 m，方向是垂直于煤壁，藥量為300 g，若煤壁有損壞則藥量減為200 g。每個激發(fā)點為放炮點，排列內(nèi)的所有接收點均為接收點。

本次81505工作面槽波地震勘探實際施工中，共布設(shè)炮點160炮，檢波點402道，S代表炮點，R代表檢波點。

施工過程中，按測點所標(biāo)記位置布設(shè)儀器和檢波器。檢波器之間用測線進行連接，固定在巷道側(cè)幫煤層中。測線布置好后，放炮前其他人員要撤離到安全地帶，放炮由具有井下放炮資質(zhì)的爆破人員負責(zé)，整個施工過程要嚴(yán)格按照安全規(guī)程及此次施工的安全技術(shù)措施及施工方案進行作業(yè)，待所有激發(fā)點放炮完畢，全面回收設(shè)備后，本次施工井下采集結(jié)束。

放炮時，部分炮孔處煤壁破碎或靠近管道，為安全考慮，沒有放炮，存在個別啞炮，最終接收炮數(shù)151個。

測線具體布置方案，見表1、2。

表1 81505工作面炮點布置一覽

表2 81505工作面接收點布置一覽

4 數(shù)據(jù)處理與解釋

槽波數(shù)據(jù)處理是對槽波數(shù)據(jù)進行有關(guān)數(shù)學(xué)分析、計算，進而提高原始槽波數(shù)據(jù)的信噪比，從中提取與解釋、研判目標(biāo)有關(guān)圖像及數(shù)據(jù)信息，從而提高槽波勘探精度，識別異常體性質(zhì)及空間位置。

4.1 透射槽波能量分析

槽波在煤層中傳播具有很好的穿透性。當(dāng)工作面內(nèi)煤層巖性相對穩(wěn)定、單一時，槽波能夠穿透大部分探測工作面范圍，能量衰減較為緩慢、易于識別。當(dāng)槽波在傳播過程中遇到陷落柱、斷層、采空區(qū)等異常地質(zhì)構(gòu)造時，槽波能量會發(fā)生明顯改變。以斷層為例，如斷層斷距大于煤層厚度，煤層被完全斷開時，槽波無法穿透到另一盤，會造成槽波能量的迅速衰減；當(dāng)斷層斷距趨于小于煤厚但大于1/2煤厚時，煤層沒有完全斷開，煤層的上下盤之間仍有煤層的連接，這就相當(dāng)于過斷層區(qū)域煤厚變薄，槽波頻散曲線向高頻方向移動，僅有槽波的高頻部分能夠透過斷層面，而低頻部分則被斷層面遮擋住，所以過斷層前后槽波的總體能量降低，能量衰減越多，斷層斷距也越大；當(dāng)斷層斷距在小于1/2煤厚時，大部分槽波是能夠穿透斷層，槽波能量衰減較小，從其中不易觀察到斷層的形態(tài)，如圖5所示。

圖5 槽波透射與斷層斷距的關(guān)系Fig.5 Relationship between trough wave transmission and fault displacement

本次槽波資料解釋中，利用透射槽波能量對所探測的81505工作面地質(zhì)異常進行了分析，針對工作面內(nèi)存在地質(zhì)異常選取S61、S111、S115、S121、S123炮點槽波透射記錄解釋。

圖6為S61炮激發(fā)，R229～R408道接收范圍及槽波記錄，圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強，說明S61炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

圖6 S61單炮接收道槽波記錄Fig.6 Trough wave recording of S61 single shot receiving channel

圖7為S111炮激發(fā)，R24～R125道接收范圍及槽波記錄，圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強，而R24～R53道之間槽波能量減弱，為正常的遠道能量衰減，說明S111炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

圖7 S111單炮接收道槽波記錄Fig.7 Trough wave recording of S111 single shot receiving channel

圖8為S115炮激發(fā)，R24～R125道接收范圍及槽波記錄，圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強，說明S115炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。本炮槽波最遠傳播距離達1 200 m。

圖8 S115單炮接收道槽波記錄Fig.8 Trough wave recording of S115 single shot receiving channel

圖9為S121炮激發(fā)，R24～R125道接收范圍及槽波記錄，圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強，說明S121炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

圖9 S121單炮接收道槽波記錄Fig.9 Trough wave recording of S121 single shot receiving channel

圖10為S123炮激發(fā)，R24～R125道接收范圍及槽波記錄，圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強，說明S123炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

圖10 S123單炮接收道槽波記錄Fig.10 Trough wave recording of S123 single shot receiving channel

4.2 透射槽波能量成像

槽波是沿煤層可傳播的一種導(dǎo)波，如果煤層中局部區(qū)域與其他區(qū)域之間存在物性差異，就會導(dǎo)致在經(jīng)過這一區(qū)域的槽波在波速或能量上出現(xiàn)差異。

此次按照81505工作面大小建立一個X為方向1 860 m，Y為方向240 m模型，網(wǎng)格大小是2.5 m。即X方向是744個，Y方向是96個點，每個點代表一個2.5 m×2.5 m的煤層槽波能量。再對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，從中求出槽波從每一個炮點激發(fā)后傳播到每一個檢波點的槽波能量。然后將所有射線的槽波能量帶入到CT算法中進行迭代求解，最終可得到此模型上每個網(wǎng)格點的能量分布數(shù)據(jù)。81505工作面槽波地震勘探能量成像，如圖11所示，其中藍色代表槽波能量正常穿透區(qū)域，紅色代表槽波能量低穿透區(qū)域。

圖11 81505工作面槽波能量成像Fig.11 Trough wave energy imaging of 81505 working face

成像結(jié)果解釋推斷原則：槽波能量低穿透區(qū)位置表示該區(qū)域發(fā)育地質(zhì)異常體，槽波能量的相對值一般大于0.8為正常煤層，小于0.6表示存在異常，0.6～0.8之間表示可能存在異常(此處煤層正常表示，煤層內(nèi)不存在規(guī)模大于槽波探測指標(biāo)的構(gòu)造，如不存在落差大于煤厚1/2的斷層或薄煤帶；異常表示，存在規(guī)模大于槽波探測指標(biāo)的構(gòu)造)。圖11中槽波能量相對值大部分區(qū)域在0.9之上，全部區(qū)域大于0.8，說明工作面內(nèi)煤層正常，沒有發(fā)現(xiàn)落差大于煤厚1/2的斷層或薄煤帶，未發(fā)現(xiàn)其它地質(zhì)異常。

4.3 折射波速度成像

地震波激發(fā)后，沿煤層頂?shù)装宓恼凵洳ㄒ餐瑯涌梢员唤邮眨?dāng)遇到構(gòu)造帶或應(yīng)力集中區(qū)時，折射波速度會發(fā)生變化。由于折射波速度較大，雷管延遲影響成像效果，對小構(gòu)造的探測精度較低，此方法一般作為輔助分析。81505工作面折射波速度成像，如圖12所示。

圖12 81505工作面折射波速度成像Fig.12 Refraction velocity imaging of 81505 working face

由圖可知，折射波速度大都在4 000～4 300 m/s的范圍內(nèi)，速度正常，距離切眼1 200～1 500 m范圍速度稍高，約4 350 m/s，靠近主回撤巷道附近速度稍低，約3 950 m/s，仍在正常范圍內(nèi)，所以折射波速度圖整體沒有異常顯示。

5 結(jié)語

依據(jù)槽波能量和折射波速度成像結(jié)果，并結(jié)合巷道揭露情況，對本次工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進行解釋如下。81505工作面周圍巷道未揭露斷層，煤層穩(wěn)定，煤厚變化小；槽波穿過整個工作面能量沒有明顯減小，說明槽波穿透工作面時未遇到構(gòu)造阻擋，槽波能量成像圖上未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。工作面內(nèi)折射波速度在正常范圍內(nèi)，說明折射波傳播過程中未遇到大的構(gòu)造帶，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。整個工作面回采驗證了此次槽波地震探測技術(shù)在煤礦使用的效果。通過以上結(jié)果綜合分析得出結(jié)論：81505工作面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)落差大于1/2煤厚的斷層及其它地質(zhì)異常狀況。