槽波地震探測(cè)技術(shù)在窯街礦區(qū)油頁(yè)巖層構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

楊焱鈞

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

礦井地震類(lèi)的探測(cè)技術(shù)有井下二維地震勘探、瑞雷波勘探、槽波地震勘探和微震勘探等多種類(lèi)型[1]，其中槽波地震勘探方法因其信噪比較高，能夠探測(cè)1/2 煤厚以上規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)用最為廣泛[2-4]。槽波地震技術(shù)經(jīng)過(guò)煤炭科學(xué)總院西安分院、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等多個(gè)科研單位和高校的引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，已實(shí)現(xiàn)槽波地震技術(shù)硬件裝備與軟件配套的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)產(chǎn)化，并將該探測(cè)技術(shù)大范圍推廣至國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)，成為煤礦礦井生產(chǎn)可靠的地質(zhì)保障技術(shù)[5-6]。

因槽波需要在垂向“高速-低速-高速”三明治式的“導(dǎo)槽”中傳播，通常情況下煤層為低速層、頂?shù)装鍨楦咚賹樱簩优c其頂?shù)装鍘r性的物性差異較大、波阻抗明顯，“巖-煤-巖”的空間結(jié)構(gòu)利于槽波在煤層中的形成與傳播[7]。煤礦礦山通過(guò)槽波地震探查斷層、陷落柱、薄煤區(qū)和采空區(qū)邊界的應(yīng)用文章常見(jiàn)諸報(bào)道，在非煤領(lǐng)域內(nèi)槽波地震的應(yīng)用文獻(xiàn)幾近為零[8-11]。窯街礦區(qū)金河煤礦在主采煤層開(kāi)采之前需要提前開(kāi)采上覆的解放層——油頁(yè)巖層，為探索槽波地震技術(shù)在非煤巖層（油頁(yè)巖層）構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用效果提供理想的試驗(yàn)場(chǎng)所。

1 油頁(yè)巖層槽波地震地質(zhì)條件

窯街礦區(qū)位于甘肅、青海兩省交界處的甘肅側(cè)，是區(qū)域重要的能源基地。礦區(qū)含煤地層窯街群在中生代之前未沉積，是在震旦系之上沉積的侏羅系以上地層，湖相沉積發(fā)育，以泥巖、頁(yè)巖、油頁(yè)巖、泥灰?guī)r為主體。窯街群“油A 層”屬于高油率油頁(yè)巖，可作為提取液體燃料的良好原料或直接燃燒用，具有顯著工業(yè)價(jià)值。“油A 層”位于主采煤層“煤二層”的頂部，為CO2、CH4等氣體在“煤二層”的賦存提供良好的儲(chǔ)氣條件。為保證“煤二層”安全高效回采，需要在開(kāi)采“煤二層”之前先期開(kāi)采“油A 層”，釋放CO2、CH4等有害氣體。

金河煤礦16119 工作面“油A 層”均厚6.2 m，巖層傾角0～16°，頂?shù)装迦鐖D1。油頁(yè)巖地層層狀結(jié)構(gòu)較明顯，圍巖與油頁(yè)巖地層之間在垂向上的物性差異較小，油頁(yè)巖與頂?shù)装鍘r性間的波阻抗不甚明顯，油頁(yè)巖槽波地震地質(zhì)條件一般。

圖1 金河煤礦16119 工作面綜合柱狀圖

2 工作面概況

金河煤礦16119 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際揭露斷裂構(gòu)造2 條，分別為F6-7斷層和F107-1斷層，揭露斷層信息詳見(jiàn)表1。根據(jù)巷道揭露資料分析，預(yù)計(jì)工作面內(nèi)小斷裂與節(jié)理較發(fā)育，影響工作面正常回采。超前精準(zhǔn)探查斷裂構(gòu)造在工作面內(nèi)的延展長(zhǎng)度與展布特征對(duì)16119 工作面合理規(guī)劃、安全高效回采意義重大。

表1 16119 工作面揭露斷層情況表

3 資料采集與處理

1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

采用逐點(diǎn)激發(fā)、全排列接收的方法，在16119工作面進(jìn)風(fēng)巷、切眼和回風(fēng)巷圈閉的區(qū)域開(kāi)展槽波地震現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。檢波器按照10 m 等間距布設(shè)，進(jìn)風(fēng)巷施工檢波點(diǎn)63 個(gè)、切眼施工檢波點(diǎn)12 個(gè)、回風(fēng)巷施工檢波點(diǎn)65 個(gè)。受巷道條件影響局部位置無(wú)法鉆進(jìn)有效炮孔，進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)30 個(gè)、切眼實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)2 個(gè)、回風(fēng)巷實(shí)際激發(fā)炮點(diǎn)31 個(gè)，詳見(jiàn)圖2。探測(cè)區(qū)域內(nèi)的槽波射線密度相對(duì)均勻，符合探測(cè)要求。

圖2 金河煤礦16119 工作面工程布置圖

2）資料精細(xì)處理

由于槽波地震數(shù)據(jù)采集的空間十分有限，施工場(chǎng)所限制在工作面切眼和兩巷之間進(jìn)行。直達(dá)P 波、直達(dá)S 波、R 型槽波、L 型槽波等地震波震相十分復(fù)雜，多波被同時(shí)記錄下來(lái)，它們相互疊加、干涉，給處理和分析帶來(lái)困難。針對(duì)原始槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行寬頻濾波、幾何擴(kuò)散校正等精細(xì)處理方法，壓制噪音與干擾，突出有效信號(hào)并提取多種可利用信息使得原始槽波數(shù)據(jù)具有較高的信噪比，并從中提取更為豐富、直觀的圖像和數(shù)據(jù)信息，顯著改善地質(zhì)異常推斷的結(jié)果、提高識(shí)別地質(zhì)異常性質(zhì)的準(zhǔn)確度和空間定位的精準(zhǔn)性。圖3（a）為原始槽波單炮記錄，信噪比較低，P波、S波和槽波相互混雜干涉；圖3（b）為精細(xì)處理后的槽波單炮記錄，信噪比顯著提升，P 波、S 波和槽波形態(tài)更為清晰。

4 數(shù)據(jù)分析與成像

通過(guò)頻譜分析、頻散分析、能量分析、極化分析和速度分析，識(shí)別和提取地震波的不同震相，特別是槽波的埃里震相成分。金河煤礦16119 工作面油頁(yè)巖層的槽波埃里相集中在120 Hz 附近，油頁(yè)巖層的槽波速度為1200 m/s。圖4 為編號(hào)S26 的槽波單炮記錄，明顯可見(jiàn)編號(hào)R124 至編號(hào)R130 道檢波器接收的槽波能量衰減甚至缺失，說(shuō)明編號(hào)S26 激發(fā)點(diǎn)與編號(hào)R124 至編號(hào)R130 道檢波器之間的射線路徑上油頁(yè)巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化，結(jié)合巷道揭露情況，判定槽波能量衰減缺失由斷層引起的油頁(yè)巖層結(jié)構(gòu)變化所致。

圖4 S26 激發(fā)點(diǎn)槽波單炮記錄

槽波地震觀測(cè)系統(tǒng)將16119 工作面內(nèi)油頁(yè)巖層劃分為面元網(wǎng)格，通過(guò)各個(gè)面元內(nèi)的能量衰減量按照射線密度和投影長(zhǎng)度被換算成具體的槽波能量衰減系數(shù)。各個(gè)面元內(nèi)的槽波能量衰減系數(shù)按照空間位置按照暖色表征高衰減量、冷色表征低衰減量的特征投影成像，結(jié)合巷道揭露資料可探測(cè)工作面內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化特征。圖5 為16119 工作面槽波能量衰減系數(shù)成像圖，綜合巷道實(shí)揭資料與成像成果解釋了F107-1斷層為逆斷層，走向NNE，傾向NWW，落差小于1/2 油頁(yè)巖層平均厚度，斷層在工作面延展長(zhǎng)度約48 m，與F6-7斷層相交，屬于可靠斷層；F6-7斷層為正斷層，走向NWW，傾向SSW，落差大于1/2 油頁(yè)巖層平均厚度并小于油頁(yè)巖層平均厚度。斷層工作面延展長(zhǎng)度約170 m，與F107-1斷層相交，屬于可靠斷層。

圖5 工作面槽波能量衰減系數(shù)成像圖

圖6 為A-A'回采切眼巷道素描圖，回采資料顯示采掘揭露F107-1斷層，205°∠73°，落差3～10 m，在工作面內(nèi)延伸長(zhǎng)度52 m，與槽波解釋F107-1斷層的產(chǎn)狀、落差和截割關(guān)系基本一致，探測(cè)準(zhǔn)確度高；采掘揭露F6-7斷層，345°∠55°，落差2～4 m，實(shí)際揭露斷層延展長(zhǎng)度182 m，與槽波解釋F6-7斷層的產(chǎn)狀、落差和截割關(guān)系基本一致，解釋斷層長(zhǎng)度偏差12 m，探測(cè)準(zhǔn)確度較高。依據(jù)探測(cè)成果在工作面回采階段合理規(guī)避斷層構(gòu)造，提高煤礦回采效率，預(yù)測(cè)的頂?shù)装迤茙r區(qū)域與實(shí)際破巖范圍基本吻合，為16119 工作面順利回采發(fā)揮積極的指導(dǎo)作用。

圖6 A-A'剖面圖

5 結(jié)語(yǔ)

1）窯街礦區(qū)油頁(yè)巖地層層狀結(jié)構(gòu)較明顯，圍巖與油頁(yè)巖地層之間在垂向上的物性差異較小，油頁(yè)巖與頂?shù)装鍘r性間的波阻抗不甚明顯，油頁(yè)巖的槽波地震地質(zhì)條件一般。

2）通過(guò)幾何擴(kuò)散方法的振幅衰減補(bǔ)償提升油頁(yè)巖原始槽波記錄的信噪比，所得到的槽波能量衰減系數(shù)探測(cè)成果經(jīng)回采驗(yàn)證與實(shí)揭資料基本吻合。表明經(jīng)過(guò)精細(xì)處理方法，在油頁(yè)巖層中開(kāi)展槽波地震探測(cè)同樣有效。