井下槽波地震勘探技術應用研究

蔣權 周忠國 李田平 張孟軍 劉建

（四川省華鎣山煤業股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0.引言

綠水洞煤礦地質條件極其復雜，大小斷層、陷落柱等構造極為發育，礦井采用階梯平硐開拓，+530m及以上水平開采完畢，開采過程中遇到斷層、陷落柱嚴重影響工作面正常布置，給開采帶來極大難度。隨著開采深度增加，構造越發育，地質條件越復雜。大型斷層及褶皺等構造通過勘探及補勘已基本探明和控制，并在生產過程中已經確認，在工作面布置時通過各種方式將大型構造對回采的影響降至最低。對綜合機械化采煤造成較大影響的往往是小型構造（如落差1m以上的斷層），構造段瓦斯劇增，治理難度加大。由于落差較小的斷層及小型巖溶構造等不易被探測出來，對工作面回采造成影響，急需采用新的探測技術探明煤層構造情況，減小對回采的影響[1-3]。

1.技術方案選擇

利用已有地質、鉆孔成果、測井成果、實驗室分析成果、三維地震勘探成果，從構造導致煤層波動力學特征變化地質地震響應為切入點，基于透射、反射槽波、研究工作面構造的發育特點及規律，提高工作面內不同分布形態的構造槽波探測的分辨能力，指導生產實踐。

1.1 礦井地質條件的調研與分析

研究試驗區的地質條件、上覆地層及其頂底板巖性、采掘情況（通風方式、工作面布置形式、采掘速度、采煤工藝、季節和氣候等），分析試驗礦井構造分析情況。

1.2 槽波正演模擬

根據工作面地震條件情況，針對大傾角、多夾矸與薄互煤層、頂底板及松軟特征煤層建立相應的數值模型，并進行槽波模型參數的正演數值模擬，研究槽波的傳播特征分析，槽波頻散特征分析等，指導實際數據的波場識別，為下一步研究提供依據。

1.3 槽波多屬性反演技術

從正演模擬數據和實際的采集數據出發，綜合考慮槽波屬性的數學、物理及地質意義，依據礦井槽波多屬性反演技術實現煤層與圍巖波速、密度、泊松比、彈性模量等部分地球物理參數的反演。

1.4 工作面隱伏構造槽波地震探測技術

在采煤工作面進行槽波地震探測實驗，結合地質和采掘工程驗證，利用探采對比結果對處理與解釋方法進行優化，最終形成一套適合綠水洞煤礦地質特點的槽波地震探測方法。

2.試驗地點概況

3121工作面地面位于高粱坪附近，地形為緩斜坡地形，南高北低。工作面井下位于龍王洞背斜東翼南312采區，東面為3112工作面及3114工作面，均已回采；西面為3124工作面。3121工作面走向長度為1500m，傾向寬度為110m，主采煤層為龍潭組下部K1煤層。煤厚2.30m～3.10m，平均煤厚為2.80m。根據巷道掘進資料，該工作面以合成煤為主，局部煤層分岔，煤層為半暗半亮型焦煤、焦肥煤，夾矸2～4層，屬較復雜結構煤層，煤層中部有一層0.07m的高嶺石夾矸，在井田內比較穩定，厚度變化小，為井田內煤層對比的標志層。標志層以上有一層夾矸，厚度為0.05m～1.80m，厚度變化較大，巖性為鈣質泥巖、泥巖、砂質泥巖和砂巖，硬度系數f為4～6，當夾矸厚度大于0.5m時，將煤層分為上下兩層，下分層煤層厚度為1.0m～1.6m；上分層煤層厚度為0.8m～1.1m。3121工作面為單翼構造，受龍王洞背斜影響，巖層傾角向深部逐漸增大，據現有巷道揭露資料分析，工作面煤層傾角大，兩巷道中風巷高程遠大于機巷，煤層傾角可達27°～55°。

3.槽波地震探測關鍵技術

3.1 槽波數據分析

在估算出3121工作面圍巖與煤層縱橫波速度等參數后，根據槽波頻散公式計算槽波的頻散曲線，求出各頻率上槽波的速度。煤厚2.8m的槽波埃里相在230Hz附近，槽波在3121采煤工作面發育一般，大部分能量分布均集中150Hz～290Hz，槽波速度集中在1200m/s附近。

3.2 槽波能量衰減系數層析成像

首先，按照3121采煤工作面探測區大小分別建立一個X方向820m，Y方向110m的模型，網格大小為3m×3m。即模型X方向274個，Y方向37個點，每個點代表一個3m×3m的煤層的平均槽波振幅或波速；然后對采集到的數據進行濾波，從中求出槽波從每一個激發點激發后，傳播到每一個接收點的時間，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，進行迭代求解，最終得到此模型上每個網格點的能量分布。藍色（冷色）區域代表槽波能量正常穿透區，該區域槽波能量相對較強，表明工作面內部構造相對簡單；紅黃色（暖色）區域代表槽波能量低穿透區或未能穿透，該區域槽波能量相對較弱，表明工作面內部可能有較大的構造存在。從成像結果可以看出，工作面內部存在多處能量明顯異常區域，結合現有的地質資料，表明工作面內部存在多處異常構造。

3.3 反射槽波偏移成像

在對反射槽波進行增強處理后，由于本次槽波探測3121工作面內條帶狀陷落柱的存在，與巷道傾角大，很難找到陷落柱的反射面，因而對工作面數據進行分段處理，采用成像算法分別對3121工作面槽波探測區進行反射槽波CDM成像，成像速度1250m/s。反射槽波成像結果中，藍色區域為正常區域，紅黃色條帶為異常區域，一般對應著巷道、斷層、陷落柱的反射面。通過對異常區域的針對性精細處理，并結合成像區域內反射槽波單炮記錄，可以確定反射界面的相對準確位置及形態。由于本工作面煤層傾角較大，條帶狀陷落柱與巷道接近垂直，因此工作面中段的陷落柱發育區CDM反演成像的成果效果不佳，該區域解釋還需充分結合透射槽波成果及現有地質資料。

4.現場工業性試驗及實施效果

4.1 工程布置及工作量

在充分研究礦井相關地質資料的基礎上，以急需解決的地質任務為前提，結合GeoCoal槽波地震數據處理系統，經過計算測試，認為采用全排列采集方案可最大限度地接收有效數據，故最終采用了全排列的采集方案進行數據采集。本次槽波探測區位于3121工作面風巷、機巷走向長度810m范圍（自巷口40m～850m），總測線長度1620m。槽波探測沿機巷、風巷布置激發點和接收點。3121工作面接收點與激發點布置如下：（1）接收點布置：接收道距10m，共布設接收點162個；（2）激發點布置：激發點距10/20m，共布設激發點121個。因風巷炮孔S150、S151塌孔與硐室處S104、S130未打孔，最終實際爆破117個，其中風巷76個，機巷41個。槽波探測施工共采集槽波有效數據117個，布設接收點162道，測線總長度累計1620m，采集數據全部合格，滿足探測要求。

4.2 資料采集方法

實際施工中檢波器對接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；激發點孔深3.0m，方向順煤層垂直于煤壁，藥量0.2kg。每個激發點激發，所有的接收點均接收。數據采集的采樣間隔為0.25ms，記錄長度2s。檢波器與儀器之間用測線連接，固定到巷道側幫煤層中部的錨桿上。3121工作面機巷煤層位于巷道頂部，風巷煤層位于巷道底部，測線布置完成后，激發前其他人員撤離到安全地帶，由爆破工負責激發。所有激發點激發完畢，回收全部設備后，結束井下數據采集。3121工作面采集到的槽波地震數據評級結果為：甲級品114張，占97.4%；乙級品3張，占2.6%。

5.結語

（1）槽波探測3121采煤工作面為復雜結構煤層，煤層傾角大且局部存在夾矸，且由于工作面內發育與巷道成大傾角條帶陷落柱，反射界面不好界定，探測反射槽波發育一般。（2）槽波地震探測技術目前尚無法對槽波異常進行準確定性，對槽波解釋的異常體進行驗證。由于物探反演結果本存在多解性，所得結果可能存在一定的誤差，需要對CX1與CX2邊界進行打鉆驗證。（3）需要重點關注槽波異常區，在回采前對3121（Ⅱ）采煤工作面槽波解釋的異常區采取鉆探相互驗證，保證回采順利進行。