辛置煤礦10-425工作面槽波地震探測技術研究與應用

牛園園

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦10-425 工作面位于東四左翼采區，東面為10-427 設計工作面，南面為H=40m 斷層，西面為南土壁保安煤柱，北面為東四左翼軌道巷、皮帶巷。10-425 工作面所采煤層為10#煤層，煤層均厚2.6m。煤層直接頂為泥巖及9#煤層，厚度2.9m；基本頂為K2 灰巖，平均厚度7m，深灰色，厚層塊狀，含燧石條帶，下部含較多化石，且裂隙溶洞發育；直接底為中-細砂巖，灰白色，石英長石為主，鈣質膠結，均勻層理，分選中等，較堅硬。工作面地表多為荒地，黃土覆蓋平均厚度280m，基巖平均厚度72m，無建筑物，無積水體。工作面整體為單斜構造，北高南低，根據周邊地質及水文地質條件分析，掘進過程可能受H=40m斷層伴生的斷層影響，同時還可能受到陷落柱的影響，對掘進工作影響較大。現采用槽波地震技術對工作面的地質構造情況進行具體探測。

2 槽波地震探測原理

2.1 槽波的形成

槽波勘探技術的物理應用前景為煤層具有槽導性，不同煤層及其圍巖條件下的密度與速度數據如表1 所示。通過分析表1 可知，在煤系地層中的波傳播具有密度小和速度低的特點，能夠看出波在巖層中的介質普遍大于煤層介質的密度，具體槽波在巖層中的傳播速度約為煤層中傳播速度的1.5~3倍。

表1 煤層及其周圍巖體的密度與速度

由于煤層和其附近的圍巖會對地震波形成一定的制導作用，進而使得部分地震波會在煤層中形成全反射，將波束縛在煤層中傳播。由于煤層為一個明顯的低速夾層，在煤層中激發了P 波（縱波）和S 波（橫波）時，會經過多次全反射后，最終將激發的能量禁錮在煤層或者附近的巖石內，使得各種波在煤槽中出現相互干涉和疊加，從而形成較大的干涉擾動，即為槽波，槽波會以煤層作為波導沿著煤槽進行傳播。

2.2 槽波地震勘探方法

槽波的地震探測方法主要包括反射法和透射法。當煤層中激發的槽波傳播時，槽波會在遇到阻斷面時出現反射現象，在被完全阻斷的情況下，此時不會形成透射槽波，但可形成反射槽波，在槽波被部分阻斷的情況下能夠觀測到微弱的透射槽波。槽波透射法和反射法的技術原理如圖1 所示。

圖1 槽波透射法和反射法原理圖

如圖1（b）所示，當采用槽波的反射法進行探測時，將檢測器與震源布置在同一掘進頭或者同一巷道內部。在無斷層時，檢波器便不會接收到反射槽波；在斷層落差與煤層厚度相接近或者大于煤層厚度時，此時波導會被完全阻斷，存在明顯的反射槽波；在斷層落差較小時，接收到的槽波信號會相應減弱。在采用槽波反射法進行探測作業時，其有效的探測范圍為煤厚的200 倍，反射法進行探測作業時對于落差大于煤厚一半的斷層其判斷的準確率能夠達到60%以上[1-2]。

根據待探測區域的詳細程度對最佳的觀測方案和最佳的排列參數進行確定，如最遠透射距、炮間距。道間距和偏移距等參數，最好通過試驗確定，合理的道間距一般在5~30m 的范圍內。在采用透射法進行探測時，該種方法能夠探測的最詳細的部位為探測區的中心部位，在可能具有地質構造的特殊區域應采用減小道間距和減小炮間距等方式進行加密觀測[3-4]。

當待探測區域的最佳觀測方式和最佳觀測系統確定后，再開始使用透射法進行探測，其在待測區域無構造段能夠測定出圍巖的波速和煤層的波速，不僅能夠初步探測出煤層的構造帶，同時能夠為后續反射法探測得出數據的處理和解釋打下較好的基礎。

3 槽波地震探測方案及分析

3.1 方案設計

10-425 工作面運輸巷在實際掘進過程中揭露了13 條落差高度在0.3~6m 范圍內斷層，同時揭露了兩個陷落柱，在10-425 工作面的設計停采線內運輸巷揭露了3 條落差高度在0.5~5m 的斷層。現采用槽波地震探測技術對工作面內的構造情況進行有效探測。

本次10-425 工作面的勘探采用德國生產槽波地震儀，設置采樣長度為2048ms，采樣間距為1/8 ms，增益為18/40。為保證工作面透射探測數據的可靠性，在工作面進行兩次槽波地震探測，兩次將其對應的接收點和激發點進行互換巷道。為了充分探測到地質異常體對槽波傳播特征的影響，將檢波器有效地分為上層和下層，下層檢波器垂直于底板安設，上層檢波器垂直于煤壁安設，分別進行兩次探測。由于10-425 工作面設計的停采線距離工作面為1065m，從工作面開切眼的位置處開始標記編號，共標記107 個測點，設置測點間的間距為10m，測量的總長度為1060m。

在進行第一次探測作業時，通過在10-425 工作面回風巷內布置檢波點，設置其道間距為20m，在運輸巷內布置炮點，將炮點間的間距設置為20m。本次探測作業的探測范圍為運輸巷內的44 號～106號測點的上部和底部650m 的范圍，回風巷內55號~95 號測點的上部和底部400m 的倒梯形區域，其最小透射距為150m，最大透射距為541m。具體10-425 工作面的探測區域和觀測系統的布置形式如圖2、圖3 所示。

10-425 工作面回風巷從55 號測點的位置處開始布置檢波點，直至布置到95 號測點。每個檢波點放置上下兩個檢波器，設置道間距為20m，共計在回風巷內布置21 個檢波點，打設42 個檢波鉆孔，布置42個檢波器。將下層檢波器布置在煤層底板中，鉆孔緊貼煤壁，且垂直于煤層底板進行打設，設置鉆孔深度500mm，直徑57mm；上層檢波器設置鉆孔直徑為57mm，深度為2000mm，布置在距離底板1.5m 的高度處。具體回風巷內檢波器的布置形式如圖4（a）所示。

圖2 10-425 工作面槽波地震探測區域示意圖

圖3 10-425 工作面槽波地震探測觀測系統布置圖

工作面運輸巷內炮眼布置在44 號測點～106號測點，炮眼在距離煤層底板1.5m，設置深度2500mm，直徑為30mm，單個炮眼的裝藥量為250~300g，炮眼間的間距為20m。具體運輸巷的炮眼布置形式如圖4（b）所示。

圖4 10-425 工作面內檢波點和炮眼布置示意圖

在工作面運輸巷內按照S32~S1 的順序進行放炮，每次放炮后進行數據采集作業，共計放炮32 次，即進行32 次的數據采集。

第二次探測作業把工作面兩回采順槽內的觀測系統進行對調，即為運輸巷內布置檢波點，回風巷內布置放炮點，其余各項鉆孔的參數、檢波點的安裝位置與角度、放炮順序等參數不變。

3.2 結果分析

根據工作面的槽波探測結果，得出第一次探測作業時工作面共計放炮32 次，接收到22 炮，第二次探測作業放炮53 次，接收到53 炮。具體槽波發射與接收射線在工作面的分布情況如圖5 所示。

圖5 工作面槽波探測數據處理結果圖

通過對10-425 工作面槽波探測數據處理后得出的三維效果圖（圖5）進行有效分析能夠看出，工作面大致探測出2 個區域，分別為高速區和低速區。根據效果圖可知工作面前方約900m 的位置處為低速區，能夠根據槽波特征推斷出該區域為陷落柱。該陷落柱的長軸約為80m，陷落柱內的充填物較為松散，進而致使傳播速度偏慢。高速區是由于震波在巖石區域形成的。根據工作面現有的地質資料可知，工作面前方約570~580m 的區域為斷層破碎帶區域。該斷層與地質探測時的斷層為同一斷層，落差為40m，該斷層的走向不大，并沒有貫穿工作面，據此進一步驗證了工作面槽波探測技術的準確性。

3.3 探測成果驗證

10-425 工作面在回采過程中對開采揭露的地質構造情況進行了較為詳細的記錄，基于記錄數據能夠驗證工作面采用槽波探測技術結果的正確性，工作面實際回采過程中在開切眼前方573m 的位置揭露了斷層破碎帶，斷層破碎帶在工作面面長方向的長度為80m，采用了超前注漿加固的方式，保障了工作面順利推進通過該斷層區域。在開切眼前方905m 的位置處揭露陷落柱，隨著工作面的向前推進，得出該陷落柱的長軸為78m。基于上述記錄數據可知槽波探測技術得出的地質構造區域的位置及范圍基本與實際情況一致，能夠有效地指導礦井的安全生產作業。

4 結論

為充分了解10-425 工作面的地質構造情況，采用槽波地震探測技術對工作面的地質構造情況進行探測，通過對槽波的形成和現有槽波探測技術的分析，結合10-425 工作面的具體情況對工作面的槽波探測方案進行具體設計。根據槽波探測結果可知，工作面前方約900m 為低速區，該位置處為陷落柱，陷落柱內的充填物較松散。工作面前方約570~580m 為高速區，該區域為斷層破碎帶。探測結果對后續工作面的正常回采提供了指導。