地質構造復雜區域開采槽波物探技術探索與應用

喬瑤峰

(鄭煤集團 白坪煤業公司，河南 登封 452470)

白坪煤業公司煤厚變化較大，是制約生產的主要地質致災因素，以往采用了諸多物探方法，受各種條件制約，均不能有效查明煤層厚度變化情況。為此，白坪煤業公司地測科技術人員經過系統分析、充分論證，采用槽波地震探測技術來查明煤礦21071工作面內煤層厚度變化情況，為工作面順利回采提供地質依據。

1 工作面概況

21071工作面位于礦井西北部，北鄰箕F87305∠60°H=0～30 m正斷層，走向長度約760 m，傾向寬度約185 m，開采二1煤層，受箕F87斷層的影響，該工作面為一不規則的多邊形。受豫西滑動構造影響，煤層厚度變化劇烈，據運輸巷實際揭露，煤層厚度最薄處為0.5 m，最厚處為9.2 m。煤層底板產狀為320°～345°∠8°～20°。

2 工作面地球物理特征分析

21071工作面煤層與圍巖的物性(密度、速度)具有一定的差異，故煤層與圍巖的波阻抗有一定差異。煤層與圍巖間的界面能夠呈現為地震波反射面，有利于槽波在煤層中傳播，且工作面寬度在槽波可傳播的最大距離之內[1-5]，這也保證了槽波能量衰減較小。

3 工程布置及施工方法

為了查明21071工作面內煤厚變化情況，在充分研究相關地質資料的基礎上，根據工作面巷道的實際情況，測線沿21071工作面聯巷、運輸巷、切眼、回風巷布置。采用全排列采集方案最大限度地接收有效數據，有針對性地布設炮點和檢波點[6]，檢波點每10 m布設1個，炮點每20 m布設1個。具體布置情況見表1。

表1 21071工作面槽波探測測點布置Tab.1 Survey point layout of groove wave detection in 21071 working face

在實際施工中，檢波器對接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；炮孔深2.5 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg。檢波器和炮孔高度距巷道底板約1.5 m。每個激發點放炮，所有的接收點均能接收。數據采集的采樣間隔為0.25 ms，記錄長度2 s。

4 槽波數據處理

4.1 波場類型和速度分析

以21071工作面S37炮為例進行初步分析(圖1)，S37單炮記錄中顯示3組波，最先到達的是來自圍巖的折射縱波，隨后是來自圍巖的折射橫波，最后到達的能量團是槽波[7-10]。由于槽波較強，折射縱波和橫波反應較弱。實際采集數據中包含較高的噪聲，經頻譜分析，噪聲成分主要分布在90 Hz以下。為了壓制圍巖折射縱波、折射橫波，提高槽波的信噪比，對該工作面采集的槽波數據進行了帶通濾波，可以明顯看到濾波處理后槽波能量變強，波形特征明顯(圖2)。利用濾波后的數據可以進行CT成像[10-17]等處理作業。

圖1 S37炮濾波前數據Fig.1 Data before filtering of S37 gun

圖2 S37炮濾波后數據Fig.2 Filtered data of S37 gun

4.2 頻散分析

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化，通過軟件計算出的Love型槽波的頻散特征[2，18]如圖3所示。從圖3中可看出，煤厚4.5 m的埃里相在110 Hz附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。實際數據中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲成分主要分布在0～90 Hz，對此次數據處理影響不大。

圖3 21071工作面Love型槽波頻散特征Fig.3 Dispersion characteristics of Love in-seam waves on working face 21071

4.3 透射槽波成像

21071工作面S37炮激發的單炮記錄如圖4所示。其中，S37炮記錄中左側槽波能量較強，右側槽波能量較弱，尤其是在R164附近槽波能量突然變弱，說明S37激發的槽波在向R164及更大號的接收點傳播時，在射線路徑上遇到了異常地質體阻擋或者煤層結構發生變化，從而造成能量較小，為典型的槽波能量異常，有疑似斷層發育。

圖4 21071工作面S37炮記錄槽波數據異常對比Fig.4 Abnormal comparison of groove wave data recorded by S37 gun in 21071 working face

4.4 成像結果的分析與解釋

21071工作面采集的資料中槽波數據質量優良，說明在該礦的地質條件下，槽波是發育的。在回風巷R164—R190和運輸巷R74—R84，透射槽波能量較弱，說明在槽波的傳播路徑上遇到了遮擋，使得透射槽波的能量降低[18]。尤其是在R164—R177，槽波穿透性很差，衰減嚴重，說明此段區域內異常發育，存在劇烈的煤厚變化或其他地質異常。

結合單炮數據對成像結果中的各個異常區域進行分析，第114—164道槽波能量較強，其余區域能量較弱。R114道、R164道與S95炮形成的射線在成像圖中的對應位置如圖5所示，圖5中深黑色線條為透射槽波的時距曲線[19]。

圖5 S95炮反射槽波記錄Fig.5 In-seam wave recording of S95 gun reflection

單炮記錄上，R114—R163槽波能量較強，說明槽波在這2條射線之間透射穿過工作面時，未遇較強異常構造的阻擋。因此，在這2條射線之間的區域內應不存在較大的異常構造。以R164為界，槽波能量差異很大，在向R164及更大號的接收點傳播時，槽波能量很弱，說明槽波在傳播過程中遇較強異常構造的阻擋。

4.5 綜合地質解釋成果

此次21071工作面槽波探測共解釋二1煤煤層變薄區3個和1個落差2.4 m的正斷層，分述如下。

(1)1號變薄區。位于工作面內靠近回風巷、距離聯巷約230 m，根據反演結果，該煤層變薄區內，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(2)2號變薄區。位于導線點下19和導線點上17之間，且向運輸巷延伸，根據反演結果，該煤層變薄區內，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(3)3號變薄區。位于工作面內靠近運輸巷、距離切巷約160 m，根據反演結果，該煤層變薄區內，煤層厚度小于2 m。該異常在CACT成像中反映非常明顯。

(4)4號異常構造點。位于工作面內靠近運輸巷、距離切巷約257 m，根據反演結果，該異常構造區內槽波異常阻擋明顯，煤層厚度突變，煤層底板落差約2.4 m。該異常在CACT成像[19-20](圖6)中反映非常明顯。

圖6 21071工作面CACT成像結果Fig.6 CACT imaging results of the 21071 working face

5 應用效果評價

依據探測分析，查清了工作面煤層賦存變化規律和地質構造發育情況，優化了構造探測及瓦斯治理鉆孔設計，實現了構造發育區、瓦斯富積區超前治理，薄、厚煤區分區治理；加快了地質災害和瓦斯治理進度，降低了瓦斯治理對生產的影響。減少構造探測和瓦斯鉆孔治理工程12 000 m，直接經濟效益約252.7萬元。

6 結論

通過槽波探測試驗，對白坪煤業公司地質致災因素與煤厚賦存變化等規律進行了初步研究，為解決礦井后期在復雜地質條件下開采、實現地質災害超前治理提供了新的解決問題思路和工程實例。同時，評價了槽波探測技術在白坪井田的適用性，具有較強的指導作用和可觀的經濟效益、社會效益。