槽波地震探測在峰峰礦區的實踐與應用

高飛

（河北煤炭科學研究院有限公司 河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺 054000）

1 概 況

峰峰礦區位于河北省南部，太行山東麓。地處晉、冀、豫三省交界地帶，西臨太行山脈，東臨冀南平原，北臨洺水，南臨漳河，是我國重要的原煤生產基地。

峰峰礦區西側為山間盆地，東側是傾斜平原，最高海拔891 m，礦區內礦產資源豐富，其中原煤儲量尤為突出。礦區構造形態多為單斜及傾伏褶曲，以斷裂構造為主，斷層相當發育，該區由于構造運動的作用導致區域主要構造呈北東—北北東向斷裂構造發育。

井田內開拓、掘進、工作面回采期間揭露小構造縱橫交錯，是影響工作面布置的主要因素。因此在工作面布置及回采前有必要提前查清內部隱伏構造，為工作面的布置及回采措施的制定提供可靠依據。

此次任務用槽波地震探測技術查明工作面構造復雜區域內地質構造的分布情況。

2 方法介紹

煤礦井下槽波地震探測技術具有完整的理論基礎，因其在實踐生產應用中的突出技術優勢，槽波地震曾經是“七·五”煤炭部重點攻關課題之一，煤炭部也曾一度把槽波地震探測列為20 個重點推廣技術之一，并將其寫入綜采技術手冊。

槽波在煤層中激發，通過煤層傳播、衰減和反射，并在同一煤層中被接收。由于煤的密度和彈性波傳播速度一般小于煤層頂、底板的速度，所以在煤層內激發的槽波大部分能量不能向煤層外部傳播，總是在煤層頂板和底板之間反射和疊加，從而形成了槽波。

槽波地震探測方法一般分為透射法和反射法2 種。

2.1 槽波透射法

目前透射法是槽波地震探測中基本的探測方法。透射法探測時，激發點布置在工作面的一條巷道內，采集站布置在工作面的另一條巷道和切眼，如圖1~圖2 所示。

圖1 透射法探測原理平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of detection principle section by transmission method

圖2 透射法探測原理剖面示意Fig.2 Schematic diagram of detection principle section by transmission method

透射法主要用于探測工作面內的地質構造異常，其最大探測距離約為煤層厚度的300 倍。

2.2 槽波反射法

激發點和檢波器點布置在同一條巷道內，激發震源后接收來自本煤層的反射槽波。通過識別分析這些反射槽波信號，就能分析出煤層內地質構造的分布情況，如圖3~圖4 所示。

圖3 反射法探測原理平面示意Fig.3 Plane schematic diagram of reflection detection principle

圖4 反射法探測原理剖面示意Fig. 4 The schematic diagram of detection principle section by reflection method

反射法主要用于探測煤層內的各種大、小斷層，侵入體和巖墻等能形成反射體的地質構造異常，其最大探測距離約為煤層厚度的100 倍。

3 槽波地震探測應用實例

3.1 辛安礦112165 運料巷槽波地震反射

112165 運料巷掘進過程中遇到多條斷層，其中f1 斷層落差15 m 左右，f2 斷層落差5 m 左右，巷道迎頭剛揭露1 條斷層，另外巷道下幫有1 條邊界大斷層，落差180 m 左右，該區域地質條件復雜。

此次槽波地震的目的是探明運料巷下幫一定范圍內落差≥1/2 煤厚的斷層的分布情況，為下一條巷道的設計與布置提供地質資料。

依據探測目的，本次槽波地震探測沿112165運料巷布設激發點及檢波器點，分3 段進行探測。

（1） 外段下幫。測線長690 m，布置激發點22 個，間距30 m，檢波器點22 個，間距30 m。

（2） 里段上幫。測線長180 m，布置激發點9個，間距20 m，檢波器點10 個，間距20 m。

（3） 里段下幫。測線長180 m，布置激發點9個，間距20 m，檢波器點10 個，間距20 m。

此次槽波地震探測測線長1 050 m。

通過對此次112165 工作面槽波地震實測數據進行處理，得到槽波振幅能量衰減成像圖，如圖5~圖7 所示。圖中橫坐標為巷道相對位置，縱坐標為探測距離，等值線為能量衰減系數，用不同顏色表示，淺色表示能量衰減厲害，煤層連續性變差，即斷層反射面位置，深色表示能量衰減較弱，煤層相對穩定區域。

3.1.1 外段下幫

圖5 為112165 運煤巷外段下幫（690 m） 槽波能量成像圖，從圖中可以看出巷道揭露的f1 斷層反映明顯，邊界斷層f38 受f1 斷層遮擋，反映不太明顯，另外巷道邊眼附近存在一處地質異常區，分析為216 運煤下山揭露斷層向工作面的延伸。3.1.2 里段上幫

圖5 112165 運煤巷外段下幫槽波能量成像圖Fig.5 Energy imaging map of lower trough wave in outer section of 112165coal roadway

圖6 為112165 運煤巷里段上幫槽波能量成像圖，從圖中可以看出巷道揭露的f1 斷層反映明顯。

圖6 112165 運煤巷里段上幫槽波能量成像圖Fig 6 Energy imaging map of upper trough wave in middle section of 112165coal roadway

3.1.3 里段下幫

圖7 為112165 運煤巷里段下幫槽波能量成像圖，從圖中可以看出邊界f38 斷層反映明顯，另外，f38 斷層與巷道之間還存在1 處地質異常區，斷層面反映不太明顯。

圖7 112165 運煤巷里段下幫槽波能量成像圖Fig 7 Energy imaging map of trough wave in the middle section of 112165 coal roadway

3.1.4 綜合分析

圖8 為此次槽波地震探測綜合成果圖，探測范圍內圈定4 處地質異常區，其中1 號為112165 運煤巷巷道揭露斷層f1 的延伸，斷層在巷道兩幫的反射面都比較明顯；2 號為巷道迎頭揭露斷層的延伸，該斷層反射面不太明顯；3 號為邊界f38 斷層的延伸，該斷層在里段反射面明顯，外段受f1 斷層影響反映不明顯，4 號為216 運煤下山揭露斷層的延伸。

圖8 槽波地震探測綜合成果圖Fig.8 The comprehensive result map of trough seismic exploration

經后期回采驗證，1 號、2 號、3 號斷層位置與實際揭露基本相符。

3.2 梧桐莊礦八采南部膠帶巷槽波地震反射

此次井下槽波地震探測工作地點為梧桐莊礦八采南部膠帶巷，探測長度為260 m，巷道底板標高為-590—-394.8 m，掘進層位為2 號煤，平均煤厚為3.3 m，八采南部膠帶巷槽波探測區示意如圖9所示。

圖9 八采南部膠帶巷槽波探測區示意Fig.9 Schematic diagram of trough wave detection area of belt roadway in southern eighthmining area

探測的主要目的為查明膠帶巷掘進方向左側一定范圍落差≥2/3 煤厚的斷層和長軸大于20 m 的陷落柱的分布情況。

探測設計激發點20 個（S1~S20），激發點距10 m；S1 位于八采南部膠帶巷導向點J21 前35 m；設計檢波點25 個（G1 ~G25），道間距10 m；G1位于導向點J21 前30 m。

現場測量有效激發點20 炮，藥量200 g/ 炮，同一段瞬發雷管，有效檢波點25 個。

圖10 為八采南部膠帶巷槽波地震探測CT 成果圖，圖中等值線為煤層內槽波速度等值線。

圖10 八采南部膠帶巷槽波地震探測CT 成果圖Fig.10 CT result map of trough wave seismic detection in belt roadway in southern eighthmining area

由圖10 可知，此次探測探測范圍內槽波速度比較穩定。探測范圍內激發點的有效檢波點都沒有觀測到明顯的槽波信號，這說明在探測范圍內不存在大的地質構造。

3.3 羊東礦8267 工作面槽波地震透射

8267 工作面位于-850 水平五一區。東部、南部以大煤隔離開采防水煤柱為界，西部以8269 溜子道及X13-8465-1 陷落柱為界，北部以五二采區三條上山保護煤柱為界（圖11）。平均可采走向長度1 007 m，傾斜長度149 m，面積150 043 m2。埋深-628—-678 m，煤層厚度約5.5 m，煤層傾角約10°。

圖11 8267 工作面采掘工程平面示意Fig.11 8267 working face mining engineering plane diagram

采用槽波地震探測技術，查明8267 工作面內部影響程度大于1/2 煤厚的地質構造的分布情況。如圖12 所示。

圖12 觀測系統示意Fig.12 Schematic diagram of observation system

槽波地震探測沿8267 工作面溜子道里幫布設炮孔（S 點），炮間距20 m，共計38 炮；沿運料巷里幫布設檢波孔（G 點），道間距20 m，共計38個檢波點，槽波地震探測測線總長770 m。

現場測量單孔激發藥量150g/炮，采樣間隔為0.25 ms，采樣長度1 024 ms，單孔依次激發。

此次槽波解釋以槽波水平疊加為依據，結合巷道內已經揭露的地質情況，繪制8267 工作面槽波地震探測CT 成像圖，如圖13 所示。

圖13 8267 工作面槽波能量CT 成像示意Fig.13 8267 working face groove wave energy CT imaging schematic diagram

槽波能量CT 成像與實際揭露地質情況對比，如圖14 所示，深色區域地震波能量吸收衰減值較大，為地質構造發育區域。

探測范圍內發現4 處地質構造異常區。

4 結 語

地質構造是影響煤礦工作面回采的主要因素之一。無線電波透視是一種在煤礦被廣泛認可的可靠的物探手段，也是應用最為廣泛的地質探測手段，隨著大型工作面在煤礦被越來越多的設計和布置，無線電波透視由于受生產及客觀條件的限制，探測精度往往不盡人意，甚至不能達到探測目的。

圖14 槽波能量CT 成像與實際揭露地質情況對比圖Figs.14 Comparison of groove wave energy CT imaging and actual geological conditions revealed

槽波地震探測技術近年來日趨成熟，已成為探測小斷層、陷落柱等地質異常體精度最高的技術。在煤礦實際生產中，槽波地震技術的應用為煤礦地質異常探測提供了更多的探測手段和技術方法，同時對煤礦的安全生產也具有重要的意義。