基于地震槽波的致災地質因素探測技術

金明方，張高青，徐 錕，姚小帥，趙紅利

（1.貴州能發高山礦業有限公司，貴州 畢節551700；2.河南能源化工集團研究總院有限公司,河南 鄭州450000）

目前我國煤炭生產逐步向縱深發展，煤層埋藏深度越來越大，地質條件越來越復雜，導致瓦斯異常涌出、煤與瓦斯突出、突水和沖擊地壓事故頻發[1-3]。其中煤層厚度變化和斷層對瓦斯及突水災害的控制作用較為明顯。新安煤田屬于三軟煤層，煤質松軟、透氣性差、煤厚變化大，所屬礦井面臨嚴重的瓦斯和突水危險，對其致災地質因素的準確探查成為災害治理的關鍵[4-6]。相較于其他物探手段，地震槽波勘探技術對煤層厚度和斷層的探測獨具優勢[7-9]，為此，通過義煤公司義安礦業二111061 工作面地震槽波勘探，對該工作面煤層厚度和構造情況進行了探查，為瓦斯和水害治理提供了依據。

1 工作面概況

義安礦業隸屬于河南能源化工集團義煤公司，是該公司主力生產礦井之一，系煤與瓦斯突出礦井。井田處于新安煤田深部，位于新安向斜的一翼，屬于單斜構造，煤層平均傾角6°，傾向135°，一水平平均埋深超過600 m。義安礦業比鄰新安煤礦、孟津煤礦和新義煤礦，礦井核定生產能力為120 萬t/a，主采煤層為二疊系下統山西組二1 煤。義安礦業11061回采工作面為走向長壁回采工作面，走向長度450 m、傾向長度135 m，煤厚0.3～8.5 m，平均4.45 m。11061 工作面二1 煤層為粉末狀，不含夾矸，結構簡單。工作面偽頂為炭質泥巖，局部發育；直接頂板砂質泥巖，厚度約4.4 m；基本頂為中粒砂巖，即大占砂巖，厚度約為15 m。二1 煤層的直接底為粉-細砂巖夾薄層泥巖，厚度約為7 m，基本底為L7 灰巖。

2 致災地質因素

1）煤層厚度變化致災因素。新安煤田受到新安向斜構造運動的影響產生大規模的層間滑動，煤層由于頂、底板順層剪切滑動作用造成煤層厚度發生較大變化，整體煤層厚度變化不具有規律性。由于新安煤田為三軟煤層，二1 煤層和其頂底板的軟巖組合在構造運動的影響下，形成大量層間小褶皺，塑性流變導致煤層厚度在局部變化更加復雜和劇烈，工作面內部煤層變化較大，且極為頻繁；巨大的順層剪切應力對二 1 煤層和煤層頂底板造成了劇烈破壞，導致新安煤田形成了全層構造煤[10-11]。煤厚變化導致局部應力變化示意圖如圖1。煤層為塑性軟巖，本身對瓦斯具有封閉和吸納作用，煤層厚度對瓦斯含量具有明顯的控制作用；而煤層厚度變化會導致局部應力發生明顯變化，疊加構造煤影響，致使新安煤田局部地區極易發生瓦斯異常涌出和煤與瓦斯突出事故。而義安礦業位于新安煤田深部，因此所受瓦斯災害更為嚴重。

圖1 煤厚變化導致局部應力變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of local stress change caused by coal thickness change

2）斷層致災因素。斷層破壞了煤巖層的完整性，導致煤層和頂底板破碎，若存在大型斷層可溝通奧灰承壓含水層，易發生承壓水導升現象。對于義安礦業三軟煤層，斷層較為發育，且斷層形式往往是頂斷底不斷或底斷頂不斷，造成煤層厚度發生劇烈變化；斷層改變了區域應力情況，特別是在尖滅端，易造成應力集中現象。因此，針對義安礦業具體情況，斷層是導致頂底板事故、水害事故和瓦斯災害的重要因素之一。

3 11060 工作面地震槽波勘探

3.1 地震槽波頻散特征

地震槽波是一種特殊的地震波，僅在煤層中激發和傳播，地震波中的水平極化S 波相互干涉形成勒夫波，水平極化S 波和P 波相互干涉形成瑞利波，兩者統稱為槽波[12]。目前利用最為廣泛的是勒夫型槽波。槽波因只在煤層中傳播，具有傳播距離遠、攜帶信息豐富、抗干擾能力強和頻散特征明顯等優點[12-13]。地震槽波的頻散特征導致其傳播速度受到頻率和煤層厚度的影響，Love 型槽波頻散曲線圖如圖2。因此可利用此特性，對槽波進行傅里葉變換，在頻率域中選擇合適的頻率，通過波速提取并與煤層厚度擬合而對煤層厚度進行探測[14-15]。

圖2 Love 型槽波頻散曲線圖Fig.2 Dispersion curves of Love groove wave

3.2 設計施工和數據采集

采用透射法對11061 工作面進行探測，在11061 運輸巷上幫設計檢波孔22 個，間距20 m；在軌道巷下幫設計炮孔36 個，間距10 m，11061 工作面地震槽波勘探設計圖如圖3。震源激發采用一段雷管和礦用乳化炸藥，單孔藥量為200 g。共采集有效激發點34 個，檢波點22 個。

圖3 11061 工作面地震槽波勘探設計圖Fig.3 Seismic trough wave exploration design drawing of 11061 working face

3.3 成果解譯

共采集槽波數據748 個，經過辨識和分析，共提取有效槽波數據696 道。根據理論頻散曲線的分析，該工作面煤層厚度情況下選擇125 Hz 頻率提取數據，并對其進行CT 成像[16]，獲得槽波波速圖；將槽波波速豫巷道實際揭露煤厚情況進行擬合，確定波速超過1 900 m/s 區域煤厚大于3 m，波速在1 300 ～1 900 m/s 區域煤厚在3～5 m，波速小于1 300 m/s區域煤厚大于5 m。通過對有效槽波分布情況進行分析，探測區域內沒有出現較大空白帶，判斷工作面內部不存在大于1/2 煤厚的斷層。11061 工作面地震槽波波速圖和煤厚擬合圖如圖4。

圖4 11061 工作面地震槽波波速圖和煤厚擬合圖Fig.4 Wave velocity map and coal thickness fitting map of seismic trough in working face 11061

4 回采驗證及應用效果

目前該工作面已經回采結束，通過對回采煤厚數據的采集，繪制了煤層厚度分布圖，與探測結果較為一致，11061 工作面地震槽波勘探成果與實際煤厚對比圖如圖5。工作面回采過程中最大斷層落差為2.2 m，未大于1/2 煤厚，與探測結果一致。

圖5 11061 工作面地震槽波勘探成果與實際煤厚對比圖Fig.5 Comparison of seismic trough wave exploration results and actual coal thickness in working face 11061

在回采過程中，礦方根據勘探結果編制了月生產計劃，并以此為依據控制回采速度，保證了礦井煤炭生產的穩定。根據煤層厚度分布情況，針對厚煤區采取了加密本煤層瓦斯抽放措施，在回采過程中未發生較大的瓦斯異常涌出事故。

5 結 語

新安煤田受到嚴重的瓦斯和水害影響，煤層厚度變化和斷層是其主要致災地質因素。通過對11061 工作面地震槽波勘探可知，該技術可以有效地對煤層厚度和斷層進行探查，礦方可以此為依據編制生產計劃并對重點區域采取相應的差異化局部瓦斯治理措施，確保礦井安全高效生產。