透射槽波方法在中厚煤層隱伏小斷層探測中的應用

閆曉萌

（山西焦煤霍州煤電店坪煤礦，山西 方山 033199）

店坪煤礦較大斷層、褶皺等異常體發育稀少，但煤層圍巖中發育的隱伏小地質體是回采時潛在的安全隱患。三維地震雖說探測較大構造方面效果不錯，但落差較小地質體卻不盡人意。以店坪煤礦9-206 回采面為例查明小型地質異常體，深入研究槽波CT 成像技術方案，為其他工作面打好基礎。

1 工程概況

本次實驗場地選在店坪煤礦即將準備回采的9-206 工作面。該工作面位于830 m 水平南翼，西與830 南翼軌道巷相通，向東延伸到礦界煤柱線，向南延伸至環城高速煤柱線，向北接壤9-204 掘進面。工作面上部為實體煤，圍巖層級很穩定。本次物探需對9-206 工作面內地質構造發育情況進行探查。采用槽波地震勘探方法，查明9-206 工作面內小型構造發育情況。根據工作面回采長度計算與實際需要，9-206 工作面兩順槽探測長度均為900 m。

2 透射槽波勘探原理及方法

在傳播介質相對恒定、成分相對簡單的煤層中，透射槽波往往以平穩的方式傳播，當傳播介質發生變化時，例如煤層斷開、前方出現陷落柱或煤厚發生變化的時候，槽波的傳播頻率、能量衰減等相關技術參數就會因此而出現變化。

煤層相較其他巖層，波阻抗界面優勢突出，同時煤層介質傳播速率很低。實際應用中，在煤巷設計位置激發不同程度的地震波，從激發點開始，波體會以不同的角度透射到煤巖分界面而發生全反射，這些反射波又相互交織，最后鎖在煤層中，同時以低速率在煤介質中橫著傳播，這種波就叫做槽波。

槽波具有透射距離遠、受周圍環境波動較小、查明位態相對精確的特點。槽波的有效直線大約是煤層厚度的300 倍。在實際應用中，分別在被探測回采面的兩順槽中布置等間距的炮點陣列以及等間距的檢波器。槽波在煤層傳播時信號會發生不同程度的衰減，如果槽波全部透過煤層層位，說明煤層完整，無異常情況；如果只有部分槽波透過煤層，說明煤層中有落差小于煤層厚度的小斷層；如果完全不能接收槽波，說明煤層中有落差大于煤層厚度的構造。因此，該透射方法所激發的槽波直達信號，在現場始于震源，穿過煤層巷道，終于設計接收點，然后根據相關地質資料、現場環境和檢波點位置推斷地質構造位態及產狀情況。

3 槽波可視化成像方案設計

透射槽波探測方案是對檢波點接收到波體的有價值傳播信號，通常采取層析影響方法[1-2]，求得所探測煤層相關物理性質參數，然后將煤層中存在的隱伏地質異常體有效可視化成像。在槽波透射探測各類技術方法中，根據波體振幅變化情況研究可視化槽波模型，不同的構造影響就會產生不同的衰減系數，系數值越大說明受構造的影響程度也就大，也意味著該處存在地質異常體。具體計算公式如下所述。圖1為槽波可視化示意圖。

圖1 槽波可視化示意圖

假定此時在第j處激發，第i檢波點接收的槽波射線，假定此波體穿過格網媒介的遇阻常數設α1、α2、……αn，激發點j所發射的包格振幅為βoj，檢波點i接收槽波包格振幅為βj，傳經格網的始終距離設Lij，則：

式（3）即為振幅衰減系數矩陣方程。以上述為基礎，如果應用CT 成像方法，則計算衰減系數矩陣方程中，震源振幅aoj被振幅比值bj所取代。這樣能夠更簡便地求解方程。當下最常用的算法是應用art、asrt、sirt 等求解衰減系數矩陣方程，該文通過使用代數聯和重建方式（sart）。這種方法能夠對art 的誤差進行有效修正，聯和代數重建方法產生的結果不清晰性和收斂擬合較慢等劣勢被最大程度地抑制。sart 的具體計算公式如下：

式中：αj屬第j個色點的振幅常數；Rij屬第j個色點對第i個波體投影常數；K屬迭代次數；Ei屬投影誤差。

在某個特定透射方向上，與第j個像素重合的全部掃描光束均要進行求和（為i代表），全部像素(k)jα均修正完成，此時就會修正待測場的估算數據αj。在這個過程中作為聯合修正參數的依據是在某個像素中有特定掃描角的全部掃描投射線的投影誤差。 所以應用art 算法所產生的模糊性能夠被有效地遏制，并且sart 算法每次迭代計算過程都涵蓋了全部透射信息。由此看出，sart 的收斂速度相較于art 表現更為出色，同時重建精度也較優。

4 中厚煤層工作面透射槽波構造探測應用

4.1 槽波勘探情況

本次實際應用在店坪煤礦830 南翼9-206 工作面，該試驗選在切巷往巷口方向約900 m 區段，走向長度245 m。本礦區煤層均較為穩定，平均煤厚為3.0 m，煤層頂底板均以砂巖、砂質泥巖為主。該地質條件非常適合試驗透射槽波勘探技術。對9-206 工作面掘進期間揭露的地質構造以及相鄰采面的回采情況進行分析得知該回采面在回采時很有可能揭露隱伏地質構造。

4.2 探測方案布置

依據9-206 面煤厚和槽波透射技術理論，9-206面透射槽波空間距離可達 3.0×300=900 m，工作面傾向距離長小于900 m，所以探測裝置無需作另外的設計，就能在兩順槽內任何地點接收到巷道內任何地方所激發的槽波。

本次探測采用槽波透射法觀測系統。即在一條巷道布置發射，另一條巷道布置接收，如圖2。

圖2 槽波測點布置示意圖

9-206 工作面槽波透射探測共布置32 個炮點，編號S1～S32，94 個檢波點，編號G1～G94。9-2061巷發射，9-2062 巷接收。

炮點：自9-2061巷20號點前9 m至切眼至9-2062巷方向向前進行布置，并垂直布置在9-2061 巷掘進方向左幫腰線，共布置32 個炮點，即S1～S32，炮點間距30 m，切眼間距20 m，孔深均為2 m。

檢波點：自9-2061 巷4 號點前68 m 至切眼至9-2062 巷方向向前進行布置，并垂直布置在9-2061巷掘進方向右幫腰線，共布置94 個檢波點，即G1～S94，檢波點間距均為10 m。

4.3 槽波探測數據成圖分析

本次設計高密度射線能夠全覆蓋待測空間，初始槽波信息捕捉完成后，因為初始波體信息能量太大，而槽波的場能較小，這時如果不能采取適當的波頻進行有效過濾，以增強槽波能量，如圖3（a），成像效果就會大打折扣，如圖3（b）。

假如回采面中煤層比較穩定，夾矸厚度小，圍巖巖性大體一致，槽波就會在工作面大范圍內傳播且衰減小、易被捕捉，假如工作面發育斷層、陷落柱或其他地質異常區時，槽波就會迅速衰減，甚至消失。本文對9-206 采面部分記錄進行研究，結果如圖4。在圖中可以清晰地看到槽波迅速衰減，可以判斷出槽波傳播途中遭遇斷層等其他構造阻撓了能量等額傳播，由此結合前期收集的地質資料和現在的能量衰減推斷是由隱伏斷層造成的影響。

圖 3 9-2061 巷s10 炮點激發9-2062 巷G60-G70 檢波點接收的槽波數據

圖4 檢波點接收槽波數據異常顯示

4.4 槽波成像

4.4.1 9-206 工作面P 波透視物探異常分析

從工作面P 波傳播規律知，P 波主要沿煤巖界面附近傳播，相對煤層內部的槽波，煤巖交界處的P 波表現為速度快、能量弱的特征。9-207 工作面槽波勘探P 波能量CT 成像圖，圖中淺白色為相對P波速度大，黑灰色為速度相對小。本次P 波透視共圈定2 處速度高值異常區，如圖5。

圖5 P 波能量CT 成像圖

4.4.2 采用振幅衰減系數CT 成像方法對槽波進行成像處理

在圖6 中，不同深淺的色標表示槽波傳播衰減常數的大小，淺白色代表衰減數值大，接收槽波透射反饋回的場能較小，表明這個范圍中煤層結構完整性不好，推斷可能發育斷層構造，而深黑灰色代表衰減常數小，收集透射槽波的場能大，表示這范圍中煤層結構完整性好。在圖6 中發現的異常區分布如條帶狀，透射的槽波場能發現只有很少量。說明這范圍內發育有斷層落差稍微小于煤層厚度的小型斷層構造。但是目前槽波勘探技術理論的發展還不足以準確探測斷層落差大小，僅僅可以依托該煤層厚度推斷斷層大致發育的規模。

4.4.3 實際斷層揭露與探測成果吻合情況

在該試驗范圍中煤層厚度約為3.0 m 的地質條件下，可以推斷出斷層的落差大致為2.5 m，在槽波吸收系數最強處可以確定為是該斷層的發育位置，即圖6 中的淺白色和深黑灰色的地方。實際在該回采面推至地質構造異常范圍內正好揭露一條貫穿整個工作面、斷距約為2.3 m正斷層，實際驗證了斷層揭露情況與透射槽波探測結論大體一致，從而說明槽波探測地質構造是非常有效的。

圖6 工作面槽波衰減系數成像圖（曲線表示斷層）

5 結論

煤層穩定單一采面中發育的地質構造對透射槽波探測技術反應靈敏，勘察準確度很高，該種技術特別符合采面中小陷落柱、小型斷層等其他異常區域的探查。經過對槽波透射過程中場能變化特點的分析，能夠看出槽波可以有效識別采煤工作面中圍巖構造位置及產狀情況，加之搭配槽波地震可視化成像計算模型演算收集的地質數據，槽波可視化成像效果很好，同時很方便地分析出圍巖構造的位態。在探測中、厚煤層回采面小型隱伏地質構造中應用這種方法，波體傳播過程中衰減強度以像素顏色遞變情況呈現出地質構造發育范圍。本次成果驗證了槽波在探測回采面較小的地質異常體方面具有較好的推廣應用價值。