槽波地震探測技術在雨汪煤礦1010201工作面的應用

楊慶朝

（四川省煤炭設計研究院昆明分院，云南 昆明 650051）

0 引言

我國煤礦資源儲量豐富，但許多礦區位于地質條件較為復雜的地區，在煤礦實際開采過程中，工作面內斷層、薄煤區、裂隙帶及陷落柱等構造的存在對煤礦作業形成了巨大威脅，由于該類地質異常體直接或間接導致的例如礦井突水、沖擊地壓等煤巖動力災害占具絕對主要地位[1-2]。因此，探明工作面內地質異常體及隱伏構造和進行針對性治理工作是保證煤礦安全、高效生產的重要手段之一。目前礦井常用的物探方法有直流電阻率法、瞬變電磁法、音頻電透視法及槽波地震探測法等[3]。其中，槽波地震探測法有受地形影響小、探測精度高、分辨率高及驗證快等特點，是探明工作面內隱伏構造的有效方法，也是礦井地震探測中的重要方法之一。目前，槽波地震探測技術的理論基礎較為完整，并且一度被列為煤炭部重點推廣技術之一，寫入了綜采手冊。

由于我國煤礦復雜，具有多樣性，不同地質條件槽波地震探測施工和解釋成果存在差異，因此限制了該方法的應用。基于這種情況，該文以雨汪煤礦1010201 工作面為研究對象，利用槽波地震探測技術對該工作面內斷層、裂隙帶及一定規模的地質異常體等進行超前識別，為工作面安全回采提供有效地質依據，也為該技術在其他煤礦的推廣應用提供工程經驗。

1 工作面概況

雨汪煤礦1010201 工作面以開采C2 煤層為主。該工作面長和寬分別約為2150m 和207m，工作面內含夾矸0 層～2 層，結構相對簡單。其中煤層厚度平均約為1.13m，總體在0.12m～6.65m。層位穩定的薄～中厚煤層，單一結構，偶有一層夾矸，為半暗型，中～富硫煤，塊煤為主，直接頂、底板巖性為泥巖砂巖，多為灰黑色泥巖及泥質粉砂巖。

2 槽波地震勘探技術原理

槽波地震探測技術是煤礦地震探測的一個重要分支[4]。在煤層地質中，把煤層看作一個低速的地震槽。槽波在煤層中激發地震波，以震源為中心向四周傳播橫波和縱波，并最終在同一煤層中接受。由于煤的物性特點，導致其彈性波傳播能力一般弱于煤層頂和底板。因此在激發初始能量后，彈性波大部分能量不能向外傳播，在煤層中經過多次透射、反射及疊加向前傳播，然后迅速衰減，形成了槽波[5]，如圖1 所示。

圖1 槽波的形成原理示意圖

2.1 槽波透射法探測

透射法是現階段槽波地震探測體系中最基本有效的方法之一。其基本操作原理是分別將激發震源和檢波器設置在兩條不同的巷道，一條用于激發，另一條用于接收，在探測區域內形成密集射線；通過投射槽波的強弱來觀測所覆蓋區域的信號連續性。當探測區域內存在斷層且落差大于煤厚時，信號會被完全阻斷，通常無法接收到透射波；當斷層落差約占煤層厚度的30%～70%時，部分信號會被阻斷，所以接收至透射槽波的能量和速度會不同程度地變化，同時槽波具有很強的透射能力，通過前期研究可知，在厚度為1m～3.5m 的煤層中，槽波的最大透射距離可達1000m 以上，該方法也具有簡單靈活、探測范圍大及準確率高等優點。當施工時為了保證探測結果精確度，通常通過增大透射面積、多次反復透射并輔助CT 成像技術來圈定異常體的位置和范圍[6]。

2.2 槽波反射法探測

槽波反射法是槽波地震探測體系中重要的組成部分之一。基本原理如下：當槽波在煤層傳播時，如果遇到了具有波阻抗的分界面（地質異常體），便會激發反射槽波，通過這些反射槽波信號的顯現形式和狀態可以間接推斷出地質異常體的位置。與透射法不同，反射法的激發真元和檢波點均布置在同一條巷道，該方法可以探測識別煤巷兩側的小構造，有較高的應用價值，由于該方法的布置方式和探測特點導致應用存在局限，因此應根據探測需求來實施[7]。

2.3 滑行波勘探原理

滑行波勘探主要是從槽波探測資料中提取底板的信號信息，從而達到對隱伏構造識別的目的。通常，全波場槽波包括實際接收槽波、橫波和滑行波，當波場在煤層中傳播時，可通過分析速度來判斷是否來自圍巖滑行波（復合波）。當地震波在頂底板的傳播速度和密度大于在煤層中傳播時，會沿頂底板傳播從而產生滑行波，且是P 波也可以是S 波。該方法主要在煤層中激發且在頂底板中接收單炮記錄，也可以接收到信號較強的折射S 波和P 波，如圖2 所示。當滑行波傳播遇到地質異常體時，其信號參量會發生顯著變化（速度和能量等），基于以上因素并結合CT 成像技術，可以反演得到頂底板構造分布規律，從而達到探測目的[8]。

圖2 滑行波傳播示意圖

3 探測布置與數據處理

3.1 工程布置

該槽波地震探測使用的儀器為YWZ11 型礦井防爆地震儀，該儀器具有測精度高、抗干擾能力強等特點，通過計算機處理反演后，能有效呈現工作面內地質構造情況，可以完全滿足探測需求。該槽波地震波探測在1111201 工作面進行，探測范圍分為兩個部分：探測區域Ⅰ為軌道巷切眼處向外760m；探測區域Ⅱ為軌道巷CG1118 導向點至CG1125 導向點向里80m、膠帶巷CJ1110 往里30m 至CJ1105 向外30m，長度570m，兩個探測區域合計探測長度約為1.33km。探測采用雙透+雙反的觀測方式，檢波點道間距設置為10m，炮點炮間距設置為20m，激發孔深為2.0m，具體觀測系統物理點參數見表1。

表1 槽波探測物理點統計表

在明確工程布置后，在現場根據運輸、測量、打孔、安裝檢波器與儀器、放炮和收工的施工順序有序進行。為了保證探測效果和施工方案，當打孔時按照圖紙設計定位孔口，盡可能在煤層中央位置打孔，并記錄特殊條件的調孔位置。同時，施工嚴格遵循《煤礦安全規程》及礦方相關安全規定，切斷施工區域所有電路并采取相應安全措施。在施工后進行工作量和質量評述，設置一起采樣間隔0.1ms，記錄長度1.6s，發現所采集原始數據質量均較好，其中滑行波數據發育，槽波數據不發育，該部分施工質量統計見表2。

表2 施工質量統計情況表

3.2 數據處理

當槽波在煤層和頂底板傳播中遇到地質異常體時，其特征參數就會發生改變（能量、速度和頻率等），通過這些參數變化可以反演地質異常體。數據處理對取得理想的探測目的至關重要。該探測數據的處理與分析依托中國礦業大學地球物理研究所研制的《槽波地震數據處理解釋系統ISSPro2022》。首先，根據實際激發震源和檢波點在實際中的位置建立空間觀測系統，然后初至矯正采集的數據，剔除空道、壞道及畸變數據；利用寬頻帶通濾波壓制P 波和S 波，分離出不同類型的槽波，消除聲波和工頻干擾等異常信號；對信號進行幾何擴散矯正和吸收衰減矯正，用高槽波信噪比對透射單炮和反射單炮進行記錄處理；最后進行波場及速度分析合能量的對比分析，通過CT 成像技術進行透射法和反射法成像，得出CT 成像圖并進行資料解釋[9]。

4 探測結果分析

當槽波地震探測應用于工作面構造解釋時，常以淺部滑行P 波能量CT 圖為解釋基礎。綜合分析礦井前期地質資料和已掘區域的情況，該工作面槽波地震探測共圈定7 處異常區域，如圖3 所示。

圖3 探測區域Ⅰ滑行波能量CT 圖

4.1 探測區域Ⅰ

圖3 為探測區域Ⅰ滑行波能量CT 圖，共發現4 處異常區域。其中異常區1 位于靠近軌道巷和工作面的切眼附近，異常區2 位于CJ1118～CJ1121 導線點附近，礦井地質資料顯示，兩處存在多條斷層，且該處單炮記錄中發現兩處的滑行波能量存在明顯變弱趨勢，推斷異常區1 和異常區2 為底板斷層裂隙發育帶；異常區3 位于探測區域Ⅰ中CG1107 導線點附近，且該區域滑行能量波存在小范圍的異常響應特征，推斷該處受到已揭露斷層影響，也可解釋為底板斷層裂隙發育帶；異常區4 位于探測區域Ⅰ南部，該處滑行能量波存在大范圍異常響應，且前期地質資料顯示該區域有大斷層顯現，推斷該處為底板斷層裂隙強發育帶，受斷層影響顯著。

4.2 探測區域Ⅱ

圖4 為探測區域Ⅱ滑行波能量CT 圖，共發現3 處異常區域。由圖可知，異常區5 位于探測區域Ⅱ的切眼附近，該處滑行波能量存在較大范圍的異常響應，且該處有大斷層存在。而異常區6和7分別位于探測區域Ⅱ軌道巷CG1123～CG1123導線點和CG1123～CG1123 導線點附近，但兩處滑行波能量異常響應范圍較小，可以推斷，異常區5 為斷層裂隙強發育帶，異常區6 和7 為斷層裂隙發育帶。

圖4 探測區域Ⅱ滑行波能量CT 圖

5 結論

該探測共劃分為兩個區域，其中，探測區域Ⅰ采集的滑行波數據較強，透射槽波和反射槽波較弱；探測區域Ⅱ采集的滑行波數據較強，透射槽波一般，但反射槽波較弱。

采用槽波透射法聯合反射法，對1010201 工作面內的煤層構造進行反演，通過CT 成像技術，圈定7 處地質異常區域并給予解釋。通過打鉆和后期揭露發現，7 處地質異常區域均與前期解釋成果較為吻合，說明該槽波地震探測有效，可以為其他相近地質條件的礦區提供探測思路。