地震槽波勘探技術在煤層開采地質條件研究中的應用

董 良

（貴州豫能投資有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 槽波地震勘探原理

在煤系地層中，煤層相對于頂底板巖石是一個低速夾層。當在煤層中激發地震波，震波在波阻抗界面會發生全反射，縱波及橫波相互干涉形成槽波，提取其波速和傳導能力可以準確判斷煤層賦存狀況。槽波地震勘探因其能量強、探測距離大被廣泛應用于工作面內斷層、陷落柱等隱伏地質異常的探測以及煤層厚度探測[1-4]。

2 工程應用

2.1 研究區概況

河南能源貴州公司高山煤礦于2012 年投產，核定生產能力60×105t/a，設計服務年限37 年，主采二疊系龍潭組4#和9#煤層。礦井地質條件復雜，煤層賦存條件差，斷層較為發育，為煤與瓦斯突出礦井。1906 工作面位于礦井運輸下山西翼，南部為1904 工作面采空區，北部和西部為實煤體，標高+1032～ +1068 m。工作面走向長約760 m，傾向寬約150 m，可采儲量約42×105t。1906 回風巷為沿空擴巷，緊鄰1904 運輸巷。1906 工作面所采煤層為二疊系龍潭組9#煤層，屬無煙煤，屬半暗－半亮型煤，煤層呈粉狀。工作面煤層傾角約23°，煤厚0.8～6.9 m，平均3 m。9#煤層直接頂為細砂巖或粉砂巖，直接底板為泥巖或粉砂質泥巖。1906 工作面地質構造發育，在運輸巷掘進過程中揭露1 條落差3.6 m、與巷道近平行的斷層。

2.2 槽波地震觀測系統

為查明高山煤礦1906 工作面煤厚變化情況、地質構造發育特征及瓦斯危險性等，采用透射槽波對1906 工作面進行探測。在1906 工作面回風順槽內幫設計炮孔60 個（S1 位于聯巷口向里10 m 處），切眼內幫布置炮孔6 個，共設計炮孔66 個，孔距均為10 m。1906 工作面運輸順槽內幫共設計檢波器孔29 個（G1 位于變坡點處），孔距18 m，所有檢波器孔和炮孔均布置在煤層中。本次地震槽波勘探采用的炸藥作為震源，單孔藥量150 g。透射槽波地震勘探觀測系統如圖1。

圖1 1906 工作面槽波觀測系統

2.3 地震數據處理

槽波數據處理時對煤礦井下采集的原始地震記錄進行槽波的分離、提取和成像。根據煤層厚度選擇合適的頻率，在該頻率下提取槽波波速分析槽波質量能夠對煤厚和斷層等地質構造進行定量和定性描述。對于槽波透射數據的基本處理方式主要包括提取旅行時計算波速和波速層析成像兩方面內容[5-6]。

本次透射法槽波勘探實際施工66 炮，采集有效地震記錄1914 道，但整體數據質量一般。如G15檢波點得到共接收點原始地震記錄，數據整體槽波震相較弱或不明顯，不利于透射數據的處理和分析（圖2）。對原始數據預處理的目的是為槽波數據的分析和處理做準備，主要包括數據格式轉換、加載觀測系統、刪除廢道、靜校正等。

圖2 G15 共接收點原始地震槽波記錄

2.4 頻散分析

槽波的頻散特性是指不同頻率的槽波具有不同的傳播速度，煤厚變化、圍巖、夾矸以及構造等都會影響槽波的頻散。因此，通過分析槽波的頻散特征，可以研究采煤工作面內構造發育情況以及煤厚變化情況[7]。本次數據處理利用高斯小窗函數，采用短時Fourier（即加伯轉換）變換將地震信號微分后從時間域轉換為頻率域來提取槽波信號的頻散曲線。G15 檢波點地震槽波震相及不同質量的頻散曲線見圖3。

圖3 G15 點原始槽波記錄及部分頻散曲線

2.5 旅行時拾取與有效測區圈定

拾取槽波旅行時要選定適宜的頻率。例如在煤層厚度槽波地震勘探中，一般地140～200 Hz 的槽波對厚度小于1.5 m 的薄煤區有更好的分辨效果，而100～140 Hz 的槽波對2～6 m 的煤厚分辨更好。只有選取適宜的頻率來拾取槽波旅行時，才能達到更好的槽波數據處理結果。通過對原始地震記錄的時頻分析，本次探測選擇頻率為155 Hz 的槽波進行層析成像。槽波傳播過程中受到破碎頂底板和地質構造的影響會導致傳播質量變化，將有效槽波射線上圖后可知本次槽波質量整體較好，但在勘探區邊界（工作面兩端），由于射線密度較小，探測精度較低（圖4）。

圖4 有效槽波射線分布與有效測區

2.6 層析成像

層析成像是在不同方向投射穿過物體且攜帶物體內部信息的物理信號，利用計算機反演計算技術，對物體內部精細結構進行二維或三維成像。槽波速度層析成像就是對透射槽波的速度參數進行層析成像，來重構煤層的槽波速度場分布。槽波速度層析成像的處理流程包含預處理、加載初始模型、反演算法選擇、平滑處理、生成TomCat 計算文件、Surfer 成圖等。具體可分為TomCat 反演計算和surfer 成圖兩部分，利用Surfer 強大的插值功能和繪圖能力，將TomCat 計算得到離散的速度數據繪制成等值線圖，獲得1906 工作面155 Hz 槽波速度分布圖（圖5）。利用槽波速度等值線成果圖，結合有關地質信息，便可對測區地質現象進行解譯。

圖5 有效射線范圍內槽波速度分布圖（155 Hz）

3 成果解譯

3.1 煤層厚度

槽波波速受到煤層厚度和頻率的影響，低頻槽波和高頻槽波分別對厚煤層和薄煤層分辨率更高，而在相同頻率下煤層厚度越大則槽波波速越低。在同一頻率下提取所有槽波波速進行層析成像可得到槽波波速等值線圖，通過將波速與已經揭露的煤層厚度進行擬合可得到煤層厚度等值線圖[8]。

圖6 為1906 工作面煤厚等值線圖，槽波預測煤厚分布圖顯示：1906 工作面上半區段煤層厚度較為穩定，平均煤厚約3 m；下半區段煤層厚度變化較大，在有效測區范圍存在2 處煤厚大于3.5 m 的厚煤區和2 處煤厚小于1.5 m 的薄煤區。

圖6 1906 工作面槽波預測煤厚等值線圖

3.2 斷層發育

1906 工作面僅在運輸巷掘進過程中揭露1 條斷層，該斷層落差3.6 m，走向與運輸巷近平行，根據速度圖顯示斷層位置槽波質量尚好，且未見明顯的槽波速度異常，預測該斷層向工作面內部延伸不遠。

3.3 瓦斯治理關注區

煤層厚度及其變化、斷層發育、應力集中等是控制或影響瓦斯富集的重要地質因素，一般而言煤層厚度大瓦斯高，煤層厚度變化快易出現瓦斯梯度異常，槽波質量較差的區域可能存在斷層及頂底板破碎情況造成瓦斯賦存異常，槽波波速快而煤層厚度較大時可能存在應力集中區而造成瓦斯偏高。本次綜合分析1906 工作面槽波速度場、質量場成果，結合工作面揭露的地質信息，圈出了5 處“瓦斯治理關注區”。其中，1#、2#和3#是槽波預測的煤厚較大區域；4#和5#處煤層厚度穩定，但是槽波速度較高，分析可能為地應力集中區，也是“瓦斯治理關注區”（圖7）。

圖7 1906 工作面瓦斯成果圖

3.4 開采風險區

瑞利波由于形成難度較大，本次地震槽波主要選取勒夫波進行數據處理和分析。煤層頂底板破碎、存在斷層及陷落柱等地質構造或煤厚斷失等情況會導致槽波無法傳導或能量減弱而無法分辨等情況，因此可根據槽波質量的好壞賦以不同顏色顯示，采用射線交匯的方法繪制該工作面的槽波質量分布圖。

槽波質量分布圖（圖8）顯示，該工作面大部分區域槽波質量較好，但在靠近切眼的范圍和外段的部分小區域槽波質量較差。較差的槽波質量多由構造發育、圍巖破碎或煤厚突變等因素所致，這些區域開采條件一般較差，存在不利于正常開采的因素或一定的開采風險。

圖8 1906 工作面槽波質量分布圖

4 結論

（1）在同一頻率下煤層厚度和槽波波速具有負相關關系。利用槽波勘探數據準確預測1906 工作面煤層厚度變化，圈定出煤厚大于3.5 m 厚煤區和煤厚小于1.5 m 的薄煤區各2 處。

（2）槽波的質量、頻散曲線連續性受煤層穩定性、圍巖破碎程度、斷層、陷落柱及巖漿巖體等因素影響。綜合槽波速度場、質量場分析成果，結合工作面揭露的地質信息，圈出了5 處“瓦斯治理關注區”和5 處開采風險區，保障了礦井安全生產。

（3）受皮帶、風筒、管道等工作面施工條件、煤層鉆孔穩定性對檢波器安裝的影響，局部地區采集的槽波數據質量較差，一定程度影響解譯效果。此外，瓦斯賦存機理復雜，影響因素較多，且該區系首次開展槽波勘探，經驗不足，需進一步開展大量槽波勘探，總結規律，得到更有效的勘探成果。