透射法槽波地震勘探在煤礦小構造探測中的應用

朱金華

（山東省煤田地質局物探測量隊，濟南250104）

1 引言

煤礦開采中經常要面對小型地質構造引發的威脅，這就要求企業做好地質構造勘察工作，充分了解煤礦所處區域的地質構造，采取有效防范和應對措施降低事故風險。將槽波地震勘探中的透射法應用到煤礦小構造探測中，能保證探測的全面性和有效性，使煤礦工作人員可以更好地應對小構造可能會帶來的影響，保障煤礦開采安全。

2 煤礦小構造的危害

煤礦開采中的小構造包括小型斷層、小型褶皺、小型陷落柱等，體積雖然很小，但對煤礦開采活動的影響不容忽視，主要表現在以下方面：（1）可能引發倒架。煤礦開采中，沒有被及時發現的小構造會在局部應力和壓力的共同作用下引發頂板變形或破碎問題，若壓力超出一定數值，可能導致支架部分懸空，引發局部坍塌或倒架事故。（2）可能引發爆炸。小構造中也許積聚了大量瓦斯氣體，在采掘期間，若產生局部冒頂情況，瓦斯會在壓力突變時引發爆炸，造成巨大經濟損失和人員傷亡。（3）可能造成冒頂。個別小型地質構造的隱蔽性較強，在作業期間若煤層頂板出現大量裂縫或者矸石脫落情況，表明可能出現頂板冒落問題[1]。

3 槽波地震勘探的原理和方法

槽波地震勘探是地震勘探中的一個重要分支，槽波也被稱為煤層波或導波，會在煤層中激發、傳播、反射和衰減，并且被同一個煤層接收（見圖1）。考慮到煤的密度通常小于頂板和底板密度，彈性波在煤層中傳播的速度通常為頂板和底板的50%以下，在這種情況下，煤層中的彈性波一般無法傳到煤層外，而是在煤層頂板與底板之間形成反射與混響，繼而產生特殊的彈性地震波，也就是槽波。槽波地震勘探的一個重要前提，是煤層必須具備槽導性[2]。

槽波地震勘探的方法有2 種：

1）反射法。炮點和檢波器布設在同一個巷道內，接收反射槽波信號，震源激發的槽波會沿著煤層向遠處傳播，在遭遇波阻抗分界面時，產生相應的反射槽波信號，借助設置在巷道壁的檢波器，能夠對這些信號進行收集，在對信號進行識別和分析后，可以較為準確地判斷煤層中不連續體所處的位置。反射法通常用于煤層內部斷層、逆斷層、侵入體和巖墻等的探測，探測的距離約為煤層厚度的100 倍。

2）透射法。炮點和檢波器布設在不同的2 個巷道內，依照接收到的透射槽波的大小以及動力學參數，探測炮點和檢測點之間是否有構造的存在。透射法能夠對煤層地質構造以及內部異常進行探測，如煤層厚度變化、煤矸石分布、斷層分布等，在一些特殊情況下，還可以反映煤層內部壓力的變化，探測距離約為煤層厚度的300 倍[3]。

4 透射法在煤礦小構造探測中的應用

4.1 煤礦工作面概況

某煤礦綜采工作面長度為582m，煤層厚度為6.23m，呈條帶狀分布，煤芯完整。工作面本身的走向長，局部煤層的厚度存在較大的變化，在回采的過程中，部分煤層位于承壓水標高以下，工作面切眼則處于承壓水區域，復雜的沖水因素使工作面必須帶壓開采，開采難度較大。結合已經開采區域地質資料，判斷在工作面中，可能有小型隱藏地質構造存在。

4.2 槽波地震勘探設計

為了對工作面地質構造進行明確，在工作面外部480m 的位置，實施槽波地震勘探，選擇透射法，在工作面上巷道共設置炮點31 個，相鄰炮點間距為20m，下巷道設置檢波點29個，相鄰檢波點間距同樣為20m，設置雙分量水平檢波器來對槽波進行接收[4]。

4.3 槽波數據分析

從工作面中選擇具備典型性的單炮記錄，分析槽波特征，發現其能量強，速度和頻率低，對所有單炮記錄進行分析，可以明確，每個單炮記錄都能夠接收槽波，但是所處區域不同，槽波的透射能量也存在一定差別。就工作面內所有的典型槽波記錄頻散分析結果進行綜合，可以看出，區域內槽波具備十分明顯的頻散特征，群速度曲線完整且連續，槽波埃里相頻率集中在約80Hz，速度約為850m/s[5]。

4.4 槽波數據處理

在對槽波數據進行處理過程中，為了保證處理效果，使用了美國SPW 地震數據處理軟件，具體的處理流程為：數據格式轉換→安裝道頭字→靜校正→極性翻轉→廢道刪除→濾波→自動增益控制→早晚弱音→頻散分析→拾取旅行時→速度層析成像。槽波本身屬于頻散波，其群速度與相速度都會隨著頻率發生改變，借助頻散分析，能夠從實際測量得到的槽波記錄中提取群速度與相速度隨頻率變化的曲線。槽波速度會受到煤層厚度的影響，煤層厚度越大，槽波速度越低，主頻也會向著低頻的方向偏移。槽波頻散變化最為陡峭的部分，煤層厚度變化引發的槽波速度變化最大，探測精度也最高，基于此，在實施速度成像的過程中，選擇的頻率應處于槽波速度變化最陡的部分。在針對各個炮點獲取的槽波數據進行頻散分析后，可以得到選定頻率下的槽波速度，對其進行層析成像，能夠得到準確完整的波速CT 成像圖，將煤層厚度變化以及煤礦小構造反映出來，這也是透射法槽波地震勘探獲取地質信息的重要依據[6,7]。

依照相應的波速分布圖（見圖2），得到完整煤層的波速在850m/s，個別區域的波速超過了煤層波速，表明可能存在異常。

在對照煤礦開采中已經揭露的地質資料的情況下，可以得到如下推測：

圖2 波速分布圖

1）異常1 和異常2 是煤柱引發的壓力增高區域，在較高的壓力下，煤層壓實度更高，波速也隨之增高。

2）異常3 和異常4 屬于煤層破碎帶或者瓦斯富集區域，其同樣會導致波速增高。

3）異常5 屬于煤層內陷落柱，因為被頂板巖石填充，在波速值上要高于煤層，這也是其表現為高速區域的主要原因。

5 結論

結合上述分析可知：

1）借助槽波地震勘探方式來對煤礦工作面小構造進行探測，能得到準確探測結果，可以幫助煤礦技術人員實現對未知區域的預先探測，效果十分明顯。

2）槽波地震勘探中，炮點與檢波點的位置并不固定，可以根據工作面的實際情況進行靈活調整，以實現對工作面內部地質信息的超前探測。

3）相比其他勘探方法，槽波地震勘探有非常明顯的優勢，不僅分辨率更高，探測距離更遠，而且還能實現對煤層不連續性的準確探明，幫助工作人員及時發現小型地質構造，獲取準確的工作面地質信息，為后續開采作業提供完善的數據信息支持，確保煤礦開采工作順利實施。