泰山隆安煤業(yè)工作面綜合物探技術對比研究

范國鋒 韓志遠 劉曉龍

（山西煤炭運銷忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 概況

1.1 構造概況

泰山隆安煤業(yè)構造形態(tài)總體為近南北走向、向西緩傾的單斜構造，在此基礎上伴有小型褶曲。地層平緩，地層傾角2°～8°。井田內目前共發(fā)現斷層104 條，均為采掘揭露，其中大于5 m 斷層僅1條（編號F102 斷層，落差5.9 m），其余均小于5 m；另發(fā)現有小型褶曲2 個。

1.2 試驗區(qū)概況

該次物探試驗區(qū)為11305 工作面距大巷300 m段。11305 工作面北為11#煤西翼集中回風下山，南為原廢棄民采平硐采空區(qū)，東為11301 工作面采空區(qū)，西為實體煤，上覆為原金義煤礦與原晉豫煤礦舊小窯采空區(qū)。試驗區(qū)已形成回采工作面，11305進風順槽、11305 回風順槽為工作面兩側巷道，屬本次勘探可利用巷道。

根據鄰近11#煤西翼集中回風下山及11301 工作面實際揭露的其他斷層分析推測，該工作面采掘區(qū)域內受斷層影響較頻繁，加之，該礦井田處于鄂爾多斯聚煤盆地東部邊緣地段，斷裂構造發(fā)育。

2 測試技術與方法

2.1 槽波地震法

根據聲波的傳播特性，地震波在煤層中的傳播速度相比于在非煤巖石的傳播更慢。而當地震波在煤層和頂底板間相互傳播時，由煤層向頂底板傳播的地震波中的一部分會被反射回煤層并在煤層中疊加，形成一個較強的干涉擾動，即槽波。通常采用在一條巷道內放炮，在另一條巷道或同一條巷道，或在工作面中接收地震波信號完成槽波地震法[1]。

槽波在煤層中傳播，一部分可以經過反射，另一部分將直接透射出煤層。因此，可以選擇接收并檢測透射波或者反射波。透射法即將震源和檢波器布置在該工作面的兩個不同的巷道內，檢波器主要接收煤層透射的地震波信號。反射法則是將震源與檢波器布置在同側，檢波器主要接收煤層反射的地震波信號。

為探究最佳施工間距參數，設置3 組不同間距下的施工方案，分別為20 m 炮間距和10 m 道間距、10 m 炮間距和5 m 道間距、10 m 炮間距和10 m 道間距，具體施工方法為：

1）施工采集數據方法。每個炮點放炮，兩個順槽所布設接收點均接收，直至所有炮點施工放炮完成。

2）檢波器和炮點施工要求。針對巷道內部揭露情況和煤層的變化趨勢，在實際施工中要求將鋼釬打入煤巖中，將檢波器安裝在鋼釬上，保證檢波器、鋼釬及煤巖耦合良好，并盡量布置于煤層中間位置。炮眼打孔位置距巷道底板約1 m，務必確認炮孔終點在煤層中，正向裝藥，炮泥填充＞0.5 m。

3）儀器及環(huán)境噪聲。完成儀器檢測，確認地震采集系統正常，確認現場無明顯噪聲源。

不同間距的槽波地震法的測試結果如圖1。

圖1 槽波地震法地質測試成像圖

透射槽波的處理是基于透射槽波埃里相的振幅屬性的CT 成像法，不同觀測系統下的透射槽波CT成像結果見圖1。槽波能量CT 成像結果為2D 視衰減系數模型圖（包含介質吸收作用和地質構造等引起的散射作用造成的衰減），所以衰減系數越大，在CT 成像圖上表現為顏色越淺，說明在煤層中該區(qū)域附近存在使地震波能量減弱因素；反之，衰減系數越小，CT 成像圖中顏色顯示越深，即煤層賦存相對穩(wěn)定，地震波在傳播過程中能量衰減相對較小。

圖1（a）中采用20 m 炮間距和10 m 道間距時，間距過大，數據量不足，導致成果分辨率不足。圖1（b）中采用10 m 炮間距和10 m 道間距時，成像結果仍較清晰，與圖1（a）相比異常區(qū)細節(jié)仍較豐富，總體分辨率與采用5 m 道間距時無太大差異，仍可滿足探測需要。圖1（c）中采用10 m 炮間距和5 m 道間距時，成像結果清晰，異常區(qū)細節(jié)豐富，分辨率最高。根據淺色區(qū)域所示，槽波地震法基本探明了多處試驗區(qū)內的已揭露或隱伏構造，預測的構造位置、延展方向等與實際情況基本吻合。

綜合考慮探測效果和施工成本，確定透射槽波施工時最佳參數應為10 m 炮間距、10 m 道間距。

2.2 無線電波透視法

煤層中含有介質存在電性差異，而當電磁波在其中傳播時，受到介質影響，電磁波會被吸收或屏蔽。通過向煤體中發(fā)射不同頻率的電磁波，分析電磁波接收信號的差異性，即透視異常，可以了解煤層內的地質構造情況[2-3]。

根據發(fā)射端和接收端的移動方式和相對位置不同，有同步法和定點法。同步法是在不同的巷道中分別布置發(fā)射端和接收端，使二者保持相對靜止運動，在每一個點位分別探測。定點法則是固定發(fā)射點位，在每一個接收點位上逐點接收信號。在11305 工作面兩順槽各300 m 范圍內，布置發(fā)射點和接收點，發(fā)射點距25 m，接收點距5 m。

采用88 kHz、158 kHz 頻率依次分別進行探測，測試結果如圖2。

圖2 無線電波透視法地質探測成像圖

初步試驗得知88 kHz 可探測工作面，后續(xù)數據處理中可使用88 kHz 頻率的數據進行處理并對比分析結果。經過與巷道揭露斷層位置對比可知，異常區(qū)域與巷道揭露斷層區(qū)域較吻合。綜合分析，可依據本次無線電波透視成果異常區(qū)推斷此區(qū)域斷層較發(fā)育，但斷層在工作面內的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

無線電波透視法88 kHz、158 kHz 共發(fā)現兩處基本重合的地質異常，且異常有巷道揭露。異常呈區(qū)域狀，范圍較大。經對比分析，得出結論如下：

1）88 kHz 成果圖中異常區(qū)分布細節(jié)更加清晰，探測精度更高。

2）158 kHz 成果圖中，異常區(qū)邊界可追蹤性差，僅能反映出整體的低值或高值區(qū)域，細節(jié)無法分辨；但其整體場強值更高，代表采用該頻率開展無線電波透視探測時將有更大的探測范圍。

3）二者探測結果整體上吻合程度較高，可相互驗證，以提高探測的可靠程度。

2.3 地質雷達法

地層中不同介質的介電常數各不相同，當電磁波在地層中傳播時，不同的介質根據介電常數會相應發(fā)生反射、透射和折射。經過折射的電磁波會被地面天線接收，剩下的電磁波會繼續(xù)向下傳播，直到被更深處介質折射而后被地面天線接收，或是在地層中傳播直至能量耗盡。通過分析接收電磁波的振幅，相位、時間等信息，可呈現出地層的雷達波圖像，再經過后處理，可以獲得地質體的位置、形態(tài)等信息。在11305 工作面試驗段一個順槽300 m范圍內布置地質雷達測線，地質測試結果如圖3。

圖3 地質雷達法地質測試成像圖

圖3 中橫坐標表示采區(qū)走向長度，左側縱坐標表示雷達信號傳播的時間序列，右側縱坐標表示可探測的底板深度。在154～184 m 段范圍有較強的反射波同相軸，可推斷此范圍內煤巖裂隙較發(fā)育。本次地質雷達的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，探測距離太短，因此無法探測煤層中的斷層等地質構造的分布情況。

3 測試結果對比分析

1）槽波地震法基本探明了多處試驗區(qū)內的已揭露或隱伏構造，預測的構造位置、延展方向等與實際情況基本吻合。

在本區(qū)域采用槽波地震法探測時的最佳參數為10 m 炮間距、10 m 道間距。采用上述參數時，該方法在本區(qū)域有較好適用性，穿透力強、探測準確率高、分辨率高。

2）無線電波透視法僅在預測區(qū)靠近大巷段有較明顯的反應，遠大巷段的幾處斷層未有反應，且探測的異常呈區(qū)域狀，斷層在工作面內的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

在本區(qū)域采用無線電波透視法探測時的最佳參數為發(fā)射頻率為58 kHz 和188 kHz，發(fā)射點距25 m，接收點距5 m。采用上述參數時，無線電波透視法能獲取到綜合場強值較大、場強變化層次清晰、分辨能力相對較高的探測成果，但無法準確判斷斷層的走向、落差。

3）本次地質雷達的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，探測距離太短，無法滿足探測煤層中的斷層等地質構造的技術要求。經過本次地質雷達法試驗，可知地質雷達法探測距離短，不適用于井下回采工作面內隱伏構造的探測。

4 結語

1）槽波地震法的施工參數應為10 m 炮間距、10 m 道間距。探明了多處試驗區(qū)內的已揭露或隱伏構造，預測的構造位置、延展方向等與實際情況基本吻合。

2）無線電波透視法的施工參數應為發(fā)射頻率為58 kHz 和188 kHz，發(fā)射點距25 m，接收點距5 m。測試結果可推斷測試區(qū)域斷層較發(fā)育，但斷層在工作面內的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

3）地質雷達的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，測試中受井下干擾較大，實際探測距離短，無法滿足探測工作面內斷層等地質構造的技術要求。