槽波地震勘探技術在采煤工作面構造探測中的應用

張國恩

（國家能源集團神東煤炭集團 烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017205）

西部是我國煤炭主產區，煤炭產量占我國70%左右，并且隨著中東部煤炭開采逐步進入深部，開采條件愈來愈復雜，比例還將不斷上升[1-2]。目前，西部礦區煤炭開采工作面以綜合機械化開采為主，建成神東礦區、寧東基地等大規模高強度煤炭集中開采區域，煤炭安全綠色高效開發是煤炭開發的主流模式。為實現煤炭資源安全高效開采，開展煤層地質構造精細化勘探，有助于減少安全隱患，為確定工作面開采工藝和參數提供基礎數據支撐。不同學者針對工作面構造探測，開展了不同的技術研究，包括無線電波透視技術、電磁波CT 探測、地質雷達、等綜合物探等技術，并成功于工程實踐[3-9]。近年來，由于槽波地震勘探技術具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征易于識別以及成果直觀的優點，在斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢棄巷道等地質異常探測，在工程實踐中得到廣泛應用[10-12]。但是由于各個煤礦所處區域不同，煤層賦存地質條件和構造差別太大，采用槽波地震勘探技術探測地質構造時，必須結合實際，制定可行的勘探工藝，確定科學合理的參數，以確?？碧匠晒弦?。

以烏蘭木倫礦12404 工作面地質構造探測工程為研究背景，全面分了12404 工作面地質資料，提出采用槽波地震勘探技術對工作面地質構造進行探測的技術方案，設計槽波地震工程布置方案，對工程技術參數進行優化，開展現場工程實踐，對獲取的數據進行處理和解釋，得到斷層等地質構造情況和參數，為工作面安全高效開采提供了基礎支撐。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波形成和類型

煤層間波導現象是Evison 于1955 年在新西蘭煤礦首次發現，1963 年德國人Krey 分別從理論和實踐應用方面證明了煤層中槽波的存在，槽波傳播時會形成有限的幾種模式，具有很強的頻散特性。

在含煤地層中，煤層速度和密度均低于頂底板圍巖，因此煤層與圍巖界面，一般呈現良好的反射面。在煤層中激發地震波，所激發的縱波、橫波均以震源為中心，以球面體波形式向四周傳播，并以不同的角度入射到頂底板界面，槽波形成原理示意圖如圖1。

圖1 槽波形成原理示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of channel wave formation

當入射角小于臨界角時，大部分能量將透射到圍巖之中，只有少部分能量反射回到煤層中，返回到煤層中的能量，在煤層中來回多次反射、透射而迅速衰減（漏失模式）；當入射角大于等于臨界角時，則入射到頂、底板界面的地震波能量將全反射回到煤層，并在煤層中多次反射，最后禁錮在煤層之中（正常模式）。在煤層這個低速槽內向外擴散傳播，其中上行、下行波在煤層中相互干涉、迭加，多數諧波成分相互抵消，削弱，而逐漸消失；只有滿足一定條件的各種諧波，在槽內相長干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內不斷向前傳播，形成了槽波（煤層波）。

由于不同體波干涉，形成的槽波具有不同特點，將槽波分為2 種，槽波基本類型及質點振動如圖2。

圖2 槽波基本類型及質點振動Fig.2 The types of channel wave formation and particle vibration

1）瑞利型槽波（R 波）：由P 波與SV 波相互干涉形成，其質點是在垂直于煤層，包含射線的平面內作橢圓形逆行極化。

2）勒夫型槽波（L 波）：由SH 波干涉形成，其質點是在平行于煤層平面、垂直于傳播方向的平面內作線性極化振動。

槽波同散頻面波一樣，可以直觀地看成是平面體波在煤層與圍巖界面上多次反射、折射和規則干涉的結果。在煤層中激發出地震波時，槽波沿著圍巖-煤層-圍巖地層結構傳播，其波長與煤層厚度為同一數量級。由于圍巖與煤層的速度比和密度比不同，在煤層的垂直距離上，槽波振幅是不同，由于低速地震槽和其直接條件的限制，槽波的振幅隨著到震源距離的增加而產生衰減。

1.2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探是利用在煤層中激發和傳播導波，探查煤層不連續性，可以用于小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢棄巷道等地質異常，具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征易于識別以及成果直觀的優點，尤其在勘探精度和距離上優于坑透等煤礦井下勘探方法，槽波透射法和反射法是目前應用廣泛的2 種勘探方法。

1）槽波透射法。采用從震源透過煤層傳至接收點的直達槽波信號。激發點與接收點布置在采區周圍不同巷道內，根據槽波有無、強弱來判斷在相應的透射射線扇形區內有無構造異常，同時，通過對正常透射槽波的分析，為反射法數據處理及解釋提供參數等，勘探距離可達煤厚的幾百倍，實際勘探最大距離1 600 m。槽波透射法勘探示意圖如圖3。

圖3 槽波透射法勘探示意圖Fig.3 The exploration diagrammatic sketch of wave seismic transmission method

2）槽波反射法。該方法有效波是反射槽波信號。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續體，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差異）的分界面，就會產生反射槽波信號。因此，識別出這些反射槽波信號就能直接判斷出煤層不連續體的位置，激發點與接收點布置在同一巷道內，最大優點是可以在1 條煤巷中向兩側進行小構造的勘探。槽波透射法與槽波反射法是相輔相成的，聯合應用效果較好。槽波反射法勘探示意圖如圖4。

圖4 槽波反射法勘探示意圖Fig.4 The exploration diagrammatic sketch of channel wave reflection method

1.3 地質構造的解釋與評價標準

CT 技術是一種斷層掃描的技術，根據物體橫斷面的一系列投影數據，通過計算機處理得到物體橫斷面的圖像，從而得到物體內確切位置上的各物質物性的信息。槽波地震CT 是通過分析、觀測地震波的運動學和動力學特征，獲得沿射線路徑上介質物性信息的重要方法。根據不同的研究目的，利用人工地震也可以借助于天然地震來獲得不同條件地下介質的分層或構造圖像，用來分析不同地質構造。

1.3.1 斷層解釋和評價

1）斷層識別。根據透射槽波能量中斷、變弱，結合成像結果中條帶狀形特征識別斷層；也可通過反射槽波線型反射的出現來識別。

2）斷層相對落差的判定。斷層斷距大于煤層厚度時，煤層被完全斷開，則槽波無法穿透到達另一盤，造成槽波能量的迅速衰減；當斷層斷距小于煤厚但大于1/2 煤厚時，煤層沒有被完全斷開，煤層的上下盤之間仍有煤層連接，能量衰減的越多，則斷層的斷距也越大；當斷層斷距小于1/2 煤厚時，大部分槽波能夠穿透斷層，槽波的能量衰減較小，從中不易觀察到斷層的形態。

3）斷層控制程度評價。①可靠斷層：在單炮記錄、圖像上反映清晰的斷層；②較可靠斷層：在在單炮記錄、圖像上均有反映，但不夠清晰的斷層；③控制程度較差斷層：只在單炮或圖像上有反映，但不夠清晰的斷層。

1.3.2 陷落柱及其他地質異常體

根據透射槽波能量中斷、變弱，結合成像結果中圈閉狀特征識別陷落柱。也可通過反射槽波弧形短反射特征的出現來識別。陷落柱的控制程度分3種：可靠陷落柱、較可靠陷落柱、控制程度較差陷落柱，其評價方法與斷層評價方法相同。

結合勘探區實際情況，對巖漿巖巖墻、撓曲、采空區等其他地質構造現象進行解釋。根據其在單張圖像上的顯示特征，予以識別。其他地質異常體的解釋與評價可參照斷層、陷落柱的解釋與評價方法。

2 工作面概況

烏蘭木倫礦12404 工作面走向長度2 090 m，寬度290 m，工作面煤厚2.0～3.0 m，平均厚度2.4 m，煤層結構簡單，傾角1°～3°。煤層厚度變化較大，井田內廣泛發育，屬于穩定煤層，煤巖類型為半暗型煤。煤層頂底板巖石的質量較好，巖體較完整，力學強度較低，以軟弱巖石為主，巖石穩固性較差。

含煤地層是典型的層狀結構，在垂直巖層方向上含煤地層之間的物性差異明顯。在含煤地層中，與圍巖相比煤層具有速度低、密度小的特點。煤層上下界面都是1 個極強的波阻抗分界面，并形成了以煤層為中心的低速波導層，煤層作為波導層對地震能量的致導水平在很大程度上決定于煤層與上下圍巖波阻抗的差異大小。

本次槽波探測區域為12404 工作面切眼向主撤通道方向1 000 m 范圍，查明探測范圍內落差≥1/2煤厚的斷層。通過探測該區域內是否存在地質構造，指導工作面開采工藝設計，確保安全高效生產。

3 工作面槽波地震勘探工程實踐

3.1 工程布置和工作量

通過分析烏蘭木倫礦相關地質資料，槽波勘探沿主運巷、回風巷和切眼布置激發點和檢波點進行布設。經過計算測試，采用全排列采集方案可最大限度地接收有效數據。槽波勘探測點布置見表1。

表1 槽波勘探測點布置Table 1 Arrangement of in-seam wave exploration points

1）接收點：采用10 m 接收道距，沿主運巷、回風巷和切眼布置，共布置接收點249 個，測線長度2 480 m。

2）激發點：采用20 m 間距，沿主運巷、回風巷和切眼布置，孔深3 m，孔徑42 mm，共布置激發點129 個。

3.2 施工工藝

實際施工中，將檢波器對接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；孔深3 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg；每個激發點激發，所有的接收點均接收，數據采集采用西安研究院存儲式無纜遙測地震儀（YTZ-3），采樣間隔0.25 ms，記錄長度2 s。

1）打孔要求和裝藥量。①嚴格按照施工設計布置測點，紅色噴漆標示激發點位，白色噴漆標示接收點位，嚴格按照標定點位，定點打孔；②鉆孔定位為巷道壁上方靠近頂板處，孔深3 m，孔徑42 mm，垂直于煤壁方向；③所有鉆孔在裝入炸藥之前都先將鉆孔中煤粉排除干凈，以便順利將炸藥裝到孔底；④每孔炸藥量0.3 kg，總炸藥量38.7 kg。

2）現場工程量。本次12404 工作面槽波地震勘探共采集槽波有效數據共129 個激發點；測點布設249 道，測線總長度2 480 m，完成了設計工作量，采集數據經驗證全部合格。12404 工作面槽原始數據如圖5。通過對本次采集的原始資料進行檢查，12404 工作面施工激發點檢測記錄表見表2，達到了本次探測的要求。

圖5 12404 工作面槽原始數據Fig.5 The channel wave data of 12404 coal mining face

表2 12404 工作面施工激發點檢測記錄表Table 2 Test record sheet for construction excitation points of 12404 working face

3.3 數據處理與解釋

槽波數據處理是對槽波數據進行有關的數學分析和計算，提高原始槽波數據的信噪比，并從中提取與解釋目標有關的圖像及數據信息，提高槽波勘探的精度，識別異常體性質及空間位置。

采用透射槽波及反射槽波相結合的方法分析處理，對探測區域內的構造情況進行了解釋。通過綜合分析，本次工作面槽波勘探共解釋斷層4 條。12404 工作面斷層井下槽波探測構造解釋圖如圖6。

槽波地震勘探數據解釋表明，烏蘭木倫礦12404 工作面含斷層4 條，并得到了斷層的走向及延展長度。各斷層主要情況如下：

1）CF1斷層。由主運巷導線點04y15 以西50 m位置向工作面內延伸770 m，落差大于煤厚，走向NW，反射槽波及透射槽波探測均有明顯反應，控制程度較為可靠。

2）CF2斷層。由主運巷導線點04y13 延伸至輔運巷導線點04H21 以西20 m，落差大于煤厚，工作面內延展長度約310 m，走向NNE，在透射槽波探測中反應明顯，控制程度較為可靠。

圖6 12404 工作面斷層井下槽波探測構造解釋圖Fig.6 The channel wave data interpretation for 12404 mining face fault of Wulanmulun Coal Mine

3）CF3斷層。由主運巷導線點04y20 以西30 m位置向工作面內延伸200 m，與CF1斷層相交，落差大于煤厚，走向NNE，在透射槽波探測中反應明顯，控制程度較為可靠。

4）CF4斷層。由主運巷導線點04y19 以東50 m延伸至輔運巷導線點04H16 以東15 m，落差大于煤厚，工作面內延展長度約335 m，走向NNE，在透射槽波探測中反應明顯，控制程度較為可靠。

本次勘探未發現其它地質異常。

4 結 語

1）采用采煤工作面槽波地震勘探技術，得到12404 工作面內有4 條斷層，并無其他地質異常構造，進一步分析得到4 條斷層的走向、落差、控制延展長度和控制程度等具體參數。

2）槽波地震勘探解釋的得到的斷層的延展長度僅是具有一定的不確定性，推測斷層的平面擺動位置可能有存在偏差，在工作面回采過程中需要進一步對對槽波解釋的斷層進行回采驗證。

3）由于12404 工作面煤層較薄，槽波地震勘探對小于1/2 煤厚斷層的反映不明顯，工作面內還可能存在小于1/2 煤厚斷層，回采時仍需需要加強對監測。

4）在采掘生產過程中把槽波地震勘探解釋成果驗證情況及時進行總結，以利于對槽波地震資料所反映的各種地質信息進行進一步分析、研究，從而掌握本區的地質規律，使資料解釋更加準確可靠，更好地為礦井采掘生產服務。