復合煤層中夾矸對槽波探測解釋斷層落差的影響

蘇曉云

復合煤層中夾矸對槽波探測解釋斷層落差的影響

蘇曉云

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

槽波地震勘探技術在探測工作面內部斷層、陷落柱發(fā)育情況、煤厚變化等方面已經取得較好的應用效果，現(xiàn)已成為井下地質構造探測的首選方法。但對于含夾矸的復合煤層地質構造的探測，槽波方法還存在一定的問題，為研究復合煤層中夾矸對槽波地震探測中斷層落差解釋的影響，通過建立不同的數(shù)值模型進行正演分析，并選取山西某礦復合煤層進行槽波探測試驗。研究結果表明：復合煤層中的夾矸對槽波探測解釋斷層落差有較大影響，夾矸的厚度與煤層差異較小時，槽波探測解釋斷層落差時的單位煤厚標準應為復合煤層的總厚度；差異較大時，單位煤厚標準應為激發(fā)接收層的單一煤層厚度。研究結果可為槽波實際資料的解釋、分析提供參考依據(jù)。

復合煤層；夾矸；槽波探測；斷層落差；單位煤厚

礦井物探在工作面采前精確查明隱蔽致災地質因素以保證安全生產方面具有重要作用，其中，槽波地震探測技術因不受煤礦井下鐵磁物質的影響，具有探測距離大、精度高等特點[1-5]。目前，透射槽波法、反射槽波法及多波多分量等方法在探查煤層中地質構造方面，已經進行了廣泛的應用，槽波方法也已成為超長超寬大型工作面內地質條件探測的首選方法[6-9]。

復合煤層一般是指因沉積或后期構造活動造成的層間距較小的兩層或多層煤層組，具有煤層間距離較近的地質特殊性，復合煤層開采時會造成一系列頂板、瓦斯等安全問題[10-13]。復合煤層含地質構造時，更需對其進行提前探測，但復合煤層中上下組煤之間的夾矸(上下組煤之間的薄頂、底板)對槽波等物探探測效果有一定影響。宋玉平等[14]利用數(shù)學模型方法對大同侏羅紀煤田所有的15個煤層進行槽波頻散和振幅分布的研究，發(fā)現(xiàn)煤層夾矸厚度對槽波頻散曲線和振幅分布有一定影響；榮曉偉[15]對含夾矸煤層槽波頻散特性及影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)槽波頻散特性受夾矸厚度、位置以及速度變化的影響較大；匡偉等[16]通過對夾矸厚度、速度、位置等變量的模擬，研究了等厚情況下“巖–煤–巖–煤–巖”構成的復合煤層的Love型槽波頻散特征。目前，前人對復合煤層中槽波發(fā)育規(guī)律的研究已取得一定進展，但都尚處于理論研究階段。

根據(jù)槽波地震探測原理，煤層中激發(fā)的地震波，被制約在頂?shù)装宓亩S空間中傳播，P波、S波經煤層頂?shù)装宥啻稳瓷洌ハ喁B加干涉形成槽波，因此，煤厚對槽波的傳播性質具有決定作用。而根據(jù)槽波成像結果解釋斷層落差時，一般采取單位煤厚(目標層煤層厚度)的標準來進行半定量的判定，通常將斷層落差表示方法分為3類：≤1/2煤厚、1/2煤厚＜≤煤厚、＞煤厚。當探測區(qū)域的煤層厚度不同時，所能探測的斷層落差也相應變化。復合煤層中由于夾矸的存在，槽波是僅被制約在復合煤層中的激發(fā)接收這一煤層內，還是在總的復合煤層之內尚不確定，故單位煤厚(目標煤層厚度)的標準無法確定，斷層落差的解釋也就無法確定。因此，研究復合煤層中夾矸對槽波探測解釋的影響對斷層落差的精準判斷具有重要意義。為此，本文擬通過對復合煤層中夾矸厚度、巖性不同的模型進行正演模擬和對比分析，得出復合煤層中槽波的發(fā)育特點；并選取適當?shù)脑囼烖c，采集井下地震波數(shù)據(jù)研究復合煤層中夾矸對槽波探測地質構造精度的影響，從而為槽波實際資料的解釋、分析提供參考。

1 不同厚度夾矸的模型正演

槽波地震數(shù)值模擬方面目前已有較充分的研究，姬廣忠等[17]和程建遠等[18]采用高階交錯網格法模擬了Love型槽波的波場發(fā)育特征，并對煤礦井下槽波進行三維數(shù)值的模擬研究；皮蛟龍等[19-20]采用交錯網格有限差分法對煤層中的地震槽波進行三分量全波場模擬，研究不同模型中的波場特征和各種波型的傳播規(guī)律。復合煤層中夾矸對槽波傳播規(guī)律的影響也需要首先通過建立復合煤層的三維數(shù)值模型進行正演模擬，模擬方法采用高階交錯網格法。圖1所示為槽波探測含斷層的復合煤層模型剖面示意圖，圖2為其平面示意圖。

圖1 含斷層的復合煤層槽波探測柱狀示意

圖2 含斷層的復合煤層數(shù)值模型平面

槽波地震探測中，與斷層落差最相關的是單位煤厚。煤層厚度不變的情況下，復合煤層的厚度會隨著夾矸厚度的變化而變化，但單位煤厚是否會隨著夾矸厚度而變化暫未確定，因此，首先建立以夾矸厚度為變量的三維數(shù)值模型進行研究。

模型中通過設置一個落差等同于激發(fā)接收煤層厚度的正斷層，以此確定夾矸對槽波的影響。當正演結果中槽波無法穿過斷層，夾矸被視為激發(fā)接收單一煤層的底板，單位煤厚標準的選擇應為激發(fā)接收煤層的厚度。反之，如槽波可以繞過斷層，通過夾矸及下組煤層傳播到接收點一側，夾矸被視為復合煤層的一部分，單位煤厚標準應為復合煤層總厚度。

首先，建立以夾矸厚度為變量的3種復合煤層模型(model 1—model 3，圖3)：選擇砂巖作為頂?shù)装澹穸纫话氵h超煤層厚度，為20 m。上組煤層(目標層)厚度一般選擇槽波發(fā)育較好的4~6 m煤層厚度，為5 m；下組煤層的厚度為2 m；夾矸選擇常見的泥巖夾矸，厚度按照上組煤層厚度的1/2進行劃分，依次為2、3.5、5 m。模型中斜穿工作面的斷層落差與上組煤層厚度相同，為5 m，模型中上組煤層被該斷層全部斷開。模型參數(shù)見表1，相應的單炮記錄及槽波衰減系數(shù)成像結果如圖4所示，研究表明：

圖3 不同厚度夾矸的地層柱狀

表1 不同厚度夾矸模型參數(shù)

3個模型中，經過斷層的位置均發(fā)育有不同程度的槽波，說明槽波在上組煤激發(fā)時會繞過斷層，通過夾矸及下組煤層傳播到對面巷道的接收點一側，夾矸此時被視為復合煤層的一部分，單位煤厚標準的選擇應為復合煤層的總厚度；

從model 1—model 3，夾矸厚度從2 m變化到5 m時，復合煤層的總厚度從9 m變化到12 m，槽波激發(fā)接收的上組煤層(厚度5 m)，占復合煤層總厚度比值從0.56減小到0.42，槽波發(fā)育程度逐漸減弱；

槽波衰減系數(shù)成像結果顯示，夾矸厚度從2 m變化到5 m時，3個模型成像結果都能識別出斷層的位置，即復合煤層的夾矸厚度變化對槽波探測斷層影響較小。

由此可知，當夾矸為泥巖時，夾矸被視為復合煤層的一部分，槽波可以正常穿過，且夾矸的厚度變化對槽波探測斷層的影響較小。

圖4 不同厚度夾矸的單炮及斷層成像

2 不同巖性夾矸的模型正演

除煤厚外，單位煤厚是否會隨著夾矸巖性而變化可通過不同夾矸巖性的三維數(shù)值模型進行研究。在三維數(shù)值模型中，夾矸巖性變化需要通過其物理性質的不同來進行表示，與槽波最相關的物理性質為地震波波速，即夾矸巖性不同地震波波速不同，因此，建立表2所示物性參數(shù)的3種模型。模型中同樣設置一個落差等同于激發(fā)接收煤層厚度的正斷層，來研究夾矸巖石對槽波的影響。

不同巖性3種模型(model 4—model 6)剖面圖如圖5所示：選擇砂巖作為頂?shù)装澹穸葹?0 m，上組煤層厚度為5 m，下組煤層厚度為2 m，夾矸厚度為3 m，夾矸巖性選擇泥巖、砂巖和泥巖(含砂)3種，泥巖(含砂)的速度為泥巖縱波速度的上限。斜穿工作面的斷層落差為5 m，相應的單炮記錄及槽波衰減系數(shù)成像結果如圖6所示，研究表明：

model 4和model 5中均有槽波發(fā)育，但model 5中槽波的發(fā)育明顯要弱于速度更低的泥巖夾矸模型。由此可知，當夾矸巖性接近煤層時，夾矸被視為復合煤層的一部分，槽波可以穿透。

表2 不同巖性夾矸模型參數(shù)

圖5 不同巖性夾矸的地層柱狀

model 6中，經過斷層的部分，槽波完全不發(fā)育，無斷層區(qū)域槽波也非常弱。由此可知，當夾矸巖性與煤層差異較大時，夾矸被視為單一煤層的底板，槽波無法穿透。

由此可知，夾矸巖性接近煤層時(p＜3 200 m/s)，地震波在傳播時，會將上下組煤層和夾矸的復合煤層當成一個整體，在斷層未全部斷開的部位繼續(xù)傳播。當夾矸巖性與煤層差異較大時，槽波形成的二維空間變成了砂巖頂板和夾矸之間的空間，槽波判斷構造的單位煤厚標準也即上組煤單一煤層的厚度。

3 復合煤層槽波探測實例

為驗證正演模型結果準確性，在山西臨汾某礦3123工作面開展復合煤層槽波探測試驗，該礦地質特征滿足復合煤層的特點。3123工作面開采石炭–二疊系山西組(P1)2號煤層，煤層厚度5.7~6.8 m，平均厚度6.0 m。煤層頂板為中細粒砂巖。3123工作面2號煤層下距3號煤層較近，為0.80~2.5 m，3號煤層平均厚度1.0 m。2號煤層和3號煤層中間夾矸為泥巖和砂質泥巖，厚度平均約3 m，地層柱狀如圖7所示。工作面掘進時切眼附近揭露一斷點落差為3 m的斷層。探測施工在2號煤層中進行，檢波器及激發(fā)點均布置在2號煤層的巷道側幫上，道間距10 m，共200道。震源由300 g礦用乳化炸藥激發(fā)，炮孔深度2.8 m，安裝炸藥后孔口用炮泥封堵，炮間距20 m，共120炮。激發(fā)點和檢波點盡量靠近巷道中部。地震儀選用YTZ3型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。該礦槽波發(fā)育較好，所采集的原始數(shù)據(jù)質量較高，折射縱波、橫波、槽波信噪比均較高，原始單炮數(shù)據(jù)如圖8所示，單炮記錄顯示，有槽波減弱的區(qū)域，但仍然有部分槽波可以穿過。成像結果如圖9所示，探測結果顯示，工作面內部可能存在一延展較長的斷層。

根據(jù)單炮記錄，過斷層位置處可見部分槽波可以穿透，常規(guī)成果解釋時，可能會做出斷層落差小于2號煤層厚度(6 m)的判斷，即＜6 m。但通過本研究成果，綜合分析該礦地質情況，2號、3號煤層距離僅3 m，為典型的復合煤層，且復合煤層夾矸為泥巖，巖性與煤層接近，故槽波解釋時的單位煤厚標準應為復合煤層的總厚度10 m，而非2號煤層厚度的6 m。因此，本次槽波解釋斷層落差為5 m＜＜10 m。經回采驗證，該斷層落差約6 m，最大處落差8 m(圖9中洋紅色點位處)。

圖6 不同巖性夾矸的單炮及斷層成像

圖7 3123工作面地層柱狀簡圖

圖8 3123工作面單炮記錄

圖9 3123工作面槽波探測成果

4 結論

a. 復合煤層中夾矸厚度對槽波探測解釋斷層落差影響較小，夾矸厚度只影響槽波的發(fā)育程度。

b.復合煤層中夾矸巖性對槽波探測解釋斷層落差影響較大。當夾矸巖性接近煤層時，地震波在傳播過程中，會將上下組煤層和夾矸的復合煤層當成一個整體，在無斷層部位繼續(xù)傳播。當夾矸巖性與煤層差別較大時，此時，槽波判斷斷層落差的單位煤厚標準為上組煤單一煤層的厚度。

c.依據(jù)槽波成像結果解釋斷層落差時，需結合已有的地質資料分析夾矸與煤層及頂?shù)装鍑鷰r的巖性差異，合理選擇單位煤厚標準，參照地震記錄中槽波振幅衰減情況綜合分析斷層落差。另外，夾矸厚度大于煤厚時對復合煤層中槽波的發(fā)育造成的影響，在后續(xù)工作中還需進一步研究。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

[1] 程建遠，聶愛蘭，張鵬. 煤炭物探技術的主要進展及發(fā)展趨勢[J]. 煤田地質與勘探，2016，44(6)：136–141. CHENG Jianyuan，NIE Ailan，ZHANG Peng. Outstanding progress and development trend of coal geophysics[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：136–141.

[2] 程建遠，朱夢博，王云宏，等. 煤炭智能精準開采工作面地質模型梯級構建及其關鍵技術[J]. 煤炭學報，2019，44(8)：2285–2295. CHENG Jianyuan，ZHU Mengbo，WANG Yunhong，et al. Cascade construction of geological model of longwall panel for intelligent precision coal mining and its key technology[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(8)：2285–2295.

[3] 姬廣忠，魏久傳，楊思通，等. HTI煤層介質槽波波場與頻散特征初步研究[J]. 地球物理學報，2019，62(2)：789–801. JI Guangzhong，WEI Jiuchuan，YANG Sitong，et al. Preliminary study on wave field and dispersion characteristics of channel waves in HTI coal seam medium[J]. Chinese Journal of Geophysics，2019，62(2)：789–801.

[4] 李剛. 煤礦井下工作面內隱伏斷層透射槽波探測技術[J]. 煤田地質與勘探，2016，44(5)：142–145. LI Gang. Detection technique of transmission in-seam wave for concealed fault in working face of underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(5)：142–145.

[5] 蘇曉云，李剛，楊鎮(zhèn)熙. 煤層中侵入巖范圍界定的現(xiàn)狀與進展[J]. 煤炭技術，2016，35(2)：132–134． SU Xiaoyun，LI Gang，YANG Zhenxi. Current situation and development of defining the scale of intrusion in coal seams[J]. Coal Technology，2016，35(2)：132–134．

[6] 焦陽，衛(wèi)金善，李梓毓，等. 槽波反射法在斷層探測中的應用研究[J]．煤炭科學技術，2017，45(11)：187–191. JIAO Yang，WEI Jinshan，LI Ziyu，et al. Study on channel wave reflection method applied to detection of fault[J]．Coal Science and Technology，2017，45(11)：187–191.

[7] 王季．反射槽波探測采空巷道的實驗與方法[J]．煤炭學報，2015，40(8)：1879–1885． WANG Ji．Experiment and method of void roadway detection using reflected in-seam wave[J]．Journal of China Coal Society，2015，40(8)：1879–1885.

[8] 劉盛東，章俊，李純陽，等. 礦井多波多分量地震方法與試驗[J]．煤炭學報，2019，44(1)：271–277． LIU Shengdong，ZHANG Jun，LI Chunyang，et al．Method and test of mine seismic multi-wave and multi–component[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(1)：271–277．

[9] 蘇曉云．透射槽波在開灤礦區(qū)煤層厚度變化探查中的應用[J]．中國礦業(yè)，2019，28(增刊2)：322–325． SU Xiaoyun．Application of transmitted channel wave in exploration of coal seam thickness variation in Kailuan mining area[J]. China Mining Magazine，2019，28(S2)：322–325．

[10] 王兆豐，岳基偉，俞宏慶，等. 復合煤層物性差異性試驗研究[J]. 煤炭科學技術，2019，47(7)：31–38．WANG Zhaofeng，YUE Jiwei，YU Hongqing，et al. Experimental study on differences of physical properties of composite coal seam[J]. Coal Science and Technology，2019，47(7)：31–38.

[11] 武謀達. 彬長礦區(qū)復合煤層聯(lián)合開采區(qū)涌水特征[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(1)：133–137. WU Mouda. Analysis on water burst characteristics during united mining of multiple coal seams in Binchang mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：133–137.

[12] 張長山，于志金，陳曉坤，等．近距離復合煤層群煤柱自燃綜合治理技術[J]. 煤礦安全，2016，47(11)：80–82. ZHANG Changshan，YU Zhijin，CHEN Xiaokun，et al．Comprehensive control measures for spontaneous combustion of coal pillars in close distance compound coal seams[J]．Safety in Coal Mines，2016，47(11)：80–82.

[13] 蘇偉偉，鄒永洺. 馬道頭礦3– 5 號復合煤層分區(qū)防滅火技術[J]. 煤礦安全，2019，50(3)：69–72. SU Weiwei，ZOU Yongming. Fire prevention and extinguishing technology of No.3–5 composite coal seam zone in Madaotou mine[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(3)：69–72.

[14] 宋玉平，劉天放，陳德行，等. 大同侏羅紀煤層槽波頻散特性及振幅特征[J]. 煤田地質與勘探，1996，24(6)：49–53. SONG Yuping，LIU Tianfang，CHEN Dehang，et al. Frequency dispersion and amplitude distribution of channel wave for Jurassic coal seams in Datong coalfield[J]. Coal Geology & Exploration，1996，24(6)：49–53.

[15] 榮曉偉. 含夾矸煤層槽波頻散特性及其影響因素分析[J]. 中國煤炭地質，2015，27(7)：77–79. RONG Xiaowei. Channel wave dispersion features in coal seam with gangue and its impacting factors[J]. Coal Geology of China，2015，27(7)：77–79.

[16] 匡偉，李德春，張昭，等. 含夾矸煤層的Love型槽波頻散特征[J]. 煤礦開采，2015，20(6)：23–26. KUANG Wei，LI Dechun，ZHANG Zhao，et al. Dispersion characteristics of love channel waves in coal bed with dirt band[J]. Coal Mining Technology，2015，20(6)：23–26.

[17] 姬廣忠，程建遠，朱培民，等．煤礦井下槽波三維數(shù)值模擬及頻散分析[J]. 地球物理學報，2012，55(2)：645–654. JI Guangzhong，CHENG Jianyuan，ZHU Peimin，et al. 3D numerical simulation and dispersion analysis of in-seam wave in under-ground coal mine[J]. Chinese Journal of Geophysics，2012，55(2)：645–654.

[18] 程建遠，姬廣忠，朱培民. 典型含煤模型Love型槽波的頻散特征分析[J]. 煤炭學報，2012，37(1)：67–72 CHENG Jianyuan，JI Guangzhong，ZHU Peimin. Love channel-waves dispersion characteristic analysis of typical coal models[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：67–72

[19] 皮嬌龍，滕吉文，楊輝，等. 地震槽波動力學特征物理–數(shù)學模擬及應用進展[J]. 地球物理學進展，2013，28(2)：958–974. PI Jiaolong，TENG Jiwen，YANG Hui，et al．Research advance in analogue-numerical simulation on the dynamic characteristics of in-seam seismic and its application[J]. Progress in Geophysics，2013，28(2)：958–974.

[20] 皮嬌龍，滕吉文，劉有山. 地震槽波的數(shù)學－物理模擬初探[J]. 地球物理學報，2018，61(6)：2481–2493.PI Jiaolong，TENG Jiwen，LIU Youshan. Preliminary study on the numerical-physical simulation of seismic channel waves[J]. Chinese Journal of Geophysics，2018，61(6)：2481–2493.

Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration

SU Xiaoyun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The channel wave seismic exploration technology has achieved relatively reliable result in detection of faults, collapse columns and the change of coal thickness in working faces, now becomes the preferred method for detection of underground geological structures. But for detection of geological structures in partings of composite coal seams the method has still certain problems. In order to study the influence of partings in composite coal seams on detection of channel wave seismic exploration, various models were built by changing thickness, lithology of parting in composite coal seams and experimenting with channel wave seismic detection in Shanxi to study how those parameters influence the exploration precision of channel wave seismic. The results show that the partings of composite coal seams have big influence on interpretation of fault throw by channel wave seismic detection, when the difference between the parting thickness and the seam thickness is smaller, in interpretation of fault throw, the unit coal thickness standard should be the total thickness of a composite coal seam, when the difference is bigger, the unit coal thickness standard should be the thickness of a single seam for a stimulating and receiving layer. The achievements can provide a basis for seismic data interpretation and analysis.

composite coal seam; parting; channel wave seismic exploration; fault throw;the unit coal thickness

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.026

1001-1986(2020)03-0182-06

2019-10-16；

2020-01-15

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

蘇曉云，1988生，男，陜西神木人，碩士，助理研究員，從事地質及煤田地質的研究工作. E-mail：suxiaoyun@cctegxian.com

蘇曉云. 復合煤層中夾矸對槽波探測解釋斷層落差的影響[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：182–187.

SU Xiaoyun. Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：182–187.

(責任編輯 聶愛蘭)