槽波地震勘探在王莊煤礦地質異常探測中的應用

朱 明

（潞安環能股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031）

槽波地震勘探技術是最受關注和最具有發展前景的一種地球物理探測方法，其利用在煤層中激發的地震波，向煤層四周擴散傳播過程中遇見介質會發生能量反射，形成能量干涉，當遇見斷層、陷落柱等地質異常，會發生槽波狀態及能量衰減程度的改變，進而對煤層中存在的地質異常進行解釋[1,2]。槽波地震勘探技術以其探測距離遠、抗干擾能力強、探測結果易解譯等特點受到煤炭工作者的青睞[3]。王莊煤礦處于潞安礦區中東部，年生產能力達800萬t/a，主采二疊系山西組3#煤層，隨著采煤活動的不斷擴展，礦井地質結構復雜程度不斷加深，斷層、陷落柱、破碎帶等地質異常發育，采用合理的勘探技術對煤層中覆存的地質異常進行探測和解譯，是預防王莊煤礦地質災害發生的重要手段。本文以王莊煤礦9102工作面為例，采用槽波地震勘探技術對工作面內地質異常進行探測，以便為工作面安全生產和提高開采效率提供地質資料。

1 槽波地震勘探的工作原理

在地質剖面中，煤層是一個典型的低速夾層，在物理上構成一個“波導”。煤層中激發的部分能量由于頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層及鄰近的巖石(簡稱煤槽)中，形成能量干涉，槽波地震勘探就是利用在煤層中激發和傳播的導波以探查煤層不連續性的一種地球物理方法[3,4]。槽波地震勘探技術按照震源與檢波器之間位置關系，分為透射法和反射法兩類，本文主要介紹透射法的工作原理。透射法測量，震源與檢波器布置在不同巷道內，即在一條巷道內激發，另一條巷道中接收透射槽波，根據透射槽波的有無或強弱，來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區域內煤層的連續性[3]。當遇見斷層或者陷落柱等地質異常，煤層波導會部分阻斷，從而在透射槽波能量有一定程度的衰減，然后利用CT成像技術，可以清晰地圈定地質異常的位置。

根據王莊煤礦已有地質資料進行分析，理論預測9102工作面的地球物理特征為：平均煤厚6.60m，圍巖密度2.6g/cm3，煤層密度1.32g/cm3。通過Love型槽波計算，可以得出9102工作面含煤模型中槽波的埃里相群速度約為800m/s，頻率為140Hz，煤層中心處能量最強。

2 槽波地震數據采集及處理

2.1 槽波參數選擇及觀測系統設計

9102工作面平均順槽長度為3088m，走向長度260m，本次勘探范圍為9102工作面距離切眼1000m范圍。根據已有槽波地震勘探經驗、9102工作面槽波地震勘探參數驗證和井下環境噪聲分析，確定9102工作面槽波勘探基本采集參數：炸藥量為200g，炮孔深度為2.0m，封孔炮泥1.0m，炮點布置在距巷道底板1.0～1.5m處，采樣時間長度為4s。為了保證勘探精度及勘探的詳細程度，充分考慮現有條件及地質任務，確定觀測系統，見圖1：（1）9102風巷布置檢波點，間距為10m，共100道，編號為J1～J100；（2）9102運巷布置炮點（激發點），間距20m，共52炮，編號為P0～P51。

2.2 資料采集及原始數據分析

本次采用YTC9.6槽波地震儀，檢波器采用SN4G-10Hz高靈敏度檢波器，采樣間隔0.25ms，記錄時長4s。在處于煤層中間的錨桿上，使用轉接頭將檢波器固定在錨桿上（注意：錨桿須要在煤層中），并且安置方向既平行于煤層走向，又平行于煤側壁，且保證所有檢波器方向一致。對照《煤田地震勘探規范》（DZ/T 0300-2017）、《地震勘探爆炸安全規程》（GB12950-1991）等評價標準，9102工作面槽波地震勘探設計52炮，實際有效炮點49個，其中P7、P13、P43炮點不具備放炮條件，49個炮點均取得了原始槽波數據，除了勘探范圍的兩側邊界外，其他勘探區域地震射線覆蓋較為密集，檢波點和激發點各項精度指標均符合規范要求。

對原始地震記錄進行分析，可得9102運巷內P18炮、P32炮和P46炮出現槽波能量變化不連續現象，發生槽波缺失，推斷在這三點附近可能存在地質異常阻隔了槽波的傳遞，導致槽波能量衰減。通過對9102工作面透射槽波勘探結果進行頻散分析，通過多次濾波技術，得出工作面煤層的典型頻散曲線-Love型槽波頻散曲線，見圖2，槽波的埃里相群速度約為800m/s，頻率約為140Hz，煤層中心位置處能量最強。

3 槽波地震勘探成果解釋

依據love型槽波頻散曲線提供的埃里相振幅值，構建2D視衰減系數模型（包含介質吸收作用和地質構造等引起的散射作用），依據槽波能量成像結果，并結合已有地質資料做地質解釋，并標定異常位置及規模。王莊煤礦9102工作面槽波能量成像的地質解釋成果見圖3和圖4，9102工作面內存在三個異常區，分別標定為YC-1、YC-2、YC-3異常，結合井下現場記錄及掘進期間地質資料分析，具體解釋如下：

（1）YC-1異常。推斷該異常區為陷落柱，異常長軸直徑約135m，短軸直徑約80m，距離切眼位置820m左右，距離9102運巷約88～175m，影響范圍135m×80m。

（2）YC-2異常。推斷該異常區為煤層厚度變化或煤巖層破碎引起的，異常臨近9102運巷，橫向延伸約210m，縱向延伸約25m，距離切眼位置400m左右。

（3）YC-3異常。推斷該異常區為煤層厚度變化或煤巖層破碎引起的，該異常臨近9102風巷，橫向延伸約300m，縱向延伸約105m，距離切眼位置460m左右。

（4）由于在切眼位置未布置炮點，使得該探測區的邊界區域所采集到的有效槽波地震數據較少而形成盲區，因而對右側邊界區域形成的異常不作解釋。在后期數據處理過程中，參考工作面回采地質資料再做進一步分析。

圖3 9102工作面透射槽波能量CT成果及地質綜合解釋圖

圖4 9102工作面透射槽波勘探地質成果圖

4 結 論

9102工作面槽波地震勘探結果獲得了質量較高的CT成像圖，探測范圍內圈定、解釋了3處地質異常區，并對地質異常特征進行了相關描述，達到了預期物理探測目的，并且通過實際槽波地震數據的處理和解釋，構建了王莊煤礦槽波地震勘探的探測體系和參數選擇。然而，由于物探反演成果存在多解性，工作面內可能存在未查明的小型構造造成的異常區，應當進行必要的鉆探驗證。在實際生產應用中，應當將物探結果與已有地質、水文資料進行綜合分析，確保工作面的安全生產。