槽波探測技術在煤礦構造探查中的應用

原宏洲

（汾西礦業正新公司和善煤礦， 山西 長治 046599）

隨著近幾年能源短缺，需求增長。十四五發展以來，煤炭在我國能源消費構成中一直占據70%以上。煤炭能源依舊是經濟發展的主要能源。隨著易開采、埋藏淺、地質構造簡單煤層的開采，現大部分煤礦開采難度加劇，地質條件復雜，井下槽波探測技術成為查清查明采區內隱伏構造、采空塌陷區、煤層厚度變化等地質資料的有效手段，廣泛適用于礦山井下各類地質、構造探查分析。

1 井下槽波透射法探測技術的原理簡介

透射法是槽波地震法中基本的一種方法，槽波透射法利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。炮點和接收點布置在工作面巷道內，根據槽波的無有、弱強來判斷在相應的范圍內有無構造異常。

2 井下槽波探測技術在某煤礦工作面的應用

本次槽波探測的地質任務是查明6102 工作面內部隱蔽的地質構造。即斷層的延伸和陷落柱的分布，分析得出構造異常區范圍，為工作面安全、高效地生產提供支持。

2.1 工作面基本概況

6102 工作面開采6 號煤層位于太原組上段（C3t3）下部，上距1 號煤層43.97～76.31 m，平均55.94 m，下距9+10 號煤層43.50～59.15 m，平均53.02 m。煤層平均厚度1.29 m。不含夾矸，結構簡單。頂底板為泥巖。

6 號煤層頂板巖性為泥巖，砂質泥巖、粉砂巖可占70%～80%，極少量的細粒砂巖、粉砂巖，厚度2.30～5.50，泥巖厚度1.80～2.50 m，裂隙不甚發育，一般組成了穩定性差的頂板。6 號煤層底板為泥巖，厚度1.20～2.00 m，無裂隙，組成了穩定性差的底板。巖石質量等級為Ⅳ類。

6102 工作面回風順槽掘進期間共揭露XL16（長軸121 m，與巷道掘進方向基本一致，預測短軸40 m）和XL17（長軸71 m，短軸均40 m 左右，已施工繞巷避開）陷落柱，煤層坡度1°～9°；6102 運輸順槽揭露一條逆斷層，落差1.0 m，煤層坡度3°～12°；兩順槽高差最大值為15 m，位于XL16 號陷落柱位置。

2.2 槽波探查的解釋方法

具體解釋步驟如下：

1）數據預編輯。剔除空炮、異常道、不好道，重排數據方便處理。

2）建立觀測系統。根據炮點以及檢波點位置，建立觀測系統，確定幾何位置關系，將炮點、檢波點坐標輸入道頭，用于槽波數據處理分析。

3）初至校正。本次物探雷管從激發到實際爆炸存在一定的時差，影響槽波的初至時間，故在處理數據之前，需要對各炮初至時間進行校正。

4）槽波能量擴散補償。從炮點出發的波隨著傳播距離的變大，呈現球面形態擴散，地震波能量有所下降，造成頻率有所減小。槽波成二維板狀形態擴散，能量擴散補償是解決問題的途徑。原始單炮經擴散補償校正后，遠距離記錄能量有所增大，層次更加清楚。

5）寬頻濾波。槽波記錄的主要特點就是埃里相頻率遠大于初至的折射縱波、續至區的折射橫波。井下槽波地震，激發和接收均處在煤層中，來自煤層頂板或底板的折射縱波和橫波，頻率相對地面的地震比較大，槽波埃里相頻率與煤層厚度有關，薄煤層埃里相頻率大，厚煤層頻率小。通過寬頻帶通濾波，可以明顯壓制縱波和橫波，提高槽波的信噪比，同時分辨不同模式的槽波。

2.3 井下槽波探查數據分析和處理

2.3.1 波場類型和速度分析

原始炮記錄數據初步分析見圖1。

圖1 S25 炮的槽波數據

圖1 為采集到的炮原始槽波記錄，先到達檢波器的是來自圍巖中的折射縱波，經計算槽波在圍巖中的速度是2 850 m/s。槽波在煤層中速度是500 m/s。在炮點同一側的檢波器接收到的是直達槽波，布置在炮點另一側的檢波器接收到的是透射槽波，應用多次濾波法提取原始數據中有效的槽波信號。

2.3.2 反射槽波分析處理

與光波在光纖中傳播類似，槽波在煤層中的傳播具備較好的穿透性。當工作面內煤層巖性穩定時，槽波可以穿透工作面大部分范圍，能量衰減的較為緩慢。當槽波在傳播中遇到斷層、陷落柱、采空區等異常地質構造時，槽波能量會發生改變。就斷層而言，當斷層的落差小于煤層厚度時，煤層沒有被完全斷開，槽波部分能量能穿過煤層。若斷層的落差大于煤層的厚度，煤層被完全斷開，則槽波穿透不到另一盤；而被斷層面反射回來，安裝在炮點同一側的檢波器就能接受到信號。

2.4 井下槽波探查技術地質成果解釋

針對本次采集到的槽波地震數據進行了預處理和處理，進行了波場的分析，拾取了槽波有效信號進行了預處理和處理，并進行了槽波能量成像。

槽波在煤層傳播過程中，如果遇到斷層、陷落柱等構造，槽波能量將會損失，根據槽波能量損失程度，圖中紅黃色表示槽波能量損失程度大。說明是遇到構造的可能性大。藍色表示槽波能量損失小，說明槽波能量能夠正常傳播。我們將槽波能量成像圖放到6102 采掘平面圖上，如圖2 所示，并結合采掘揭露情況進行了槽波探測地質解釋。

圖2 中畫出了7 個槽波探測異常區，編號為CYC1—CYC7。現分別對異常區解釋說明如下。

圖2 槽波地質解釋圖

CYC1 異常位于回風巷距切眼550 m 左右，槽波能量損失較明顯，向工作面內延伸較長，從形態上看和斷層的特征相似，應推斷為一斷層，但巷道沒有揭露。也不排除煤層破碎，煤層裂隙發育等可能，這些都會造成槽波能量的損失。結合坑透資料，坑透資料上也有反映，解釋為煤層破碎，回采時予以注意。

CYC2 異常與揭露陷落柱XL16 基本吻合。向工作面內延伸范圍較大，對回采有一定影響，該異常坑透資料上也有反映，回采時予以注意。

CYC3 異常是揭露陷落柱XL17 的影響，巷道已繞開陷落柱XL17，但陷落柱和巷道的存在，導致煤層產生裂隙或松動，造成槽波能量損失而產生該異常，該異常坑透資料上也有反映，CYC3 異常對回采影響不大。

CYC5 異常位于軌道巷，該異常與揭露斷層F15基本吻合。該異常在坑透資料上也有明顯反映，表現為低場強值，回采時予以注意。

CYC4、CYC6、CYC7 這3 個異常位于軌道巷，明顯造成了槽波能量損失，但向工作面內延伸范圍小，同時巷道并沒有揭露，坑透資料上也沒有反映。推斷這三個異常是由于煤層較薄，安裝檢波器的錨桿沒有在煤層或接近煤層底板而造成的假異常。

3 結論

本次槽波探測主要成果是根據槽波地震采集到的數據，經過預處理，處理，槽波能量成像，最終解釋7 個異常區。其中，CYC2 異常與揭露陷落柱XL16 基本吻合，CYC3 異常是揭露陷落柱XL17 的影響，CYC5 異常與揭露斷層F15 基本吻合。本次井下槽波探測技術取得了豐富的地質效果。所取得的地質成果指出了工作面開采過程中可能遇到的地質構造，為工作面正常生產回采提供了基礎的地質資料。