厚煤層內小斷層的反射槽波探測技術及應用

蘇曉云

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦智能化已經成為煤炭行業新晉熱點，智慧礦山、透明工作面等概念的提出也為各大礦業公司指出了智能化前進的方向[1-2]?；夭晒ぷ髅娴刭|構造的精準探測是智能化、透明化工作面的重要前提與保障[3-4]。目前可以通過三維地震、井下槽波、井下坑透等物探方法對工作面內部地質構造進行探測，其中槽波探測具有探測精度高，受井下環境影響較小等優點，是構造探測的重要方法之一。

礦井物探定義的小斷層一般指垂直斷距在3 m 以下的斷層，這一類斷層一般小于半采高、半煤厚[5]。非智能化開采時期，可通過調整采煤機角度等方法進行人工干預，以減少小斷層對工作面回采的影響。隨著煤礦智能化的推進，大采高采煤機、快速掘進機等智能化設備的應用大幅提高了回采與掘進速度，小斷層如果識別不清，將會對煤礦采掘效率與安全帶來較大影響[6-7]。在厚煤層、巨厚煤層礦區，透射槽波探測由于其原理限制，僅能探測斷距大于等于煤層厚度一半的斷層，對小斷層的探測效果一直不甚理想[8-9]，因此，還需要繼續研究厚煤層內小斷層的探測方法。

反射槽波探測原理是利用槽波在煤層中傳播時遇到構造后產生的反射波來探測前方的地質構造。近年來，反射槽波在中厚煤層內探測較大斷層的應用已經較為成熟，如河南理工大學的一些學者利用包絡疊加法在義馬礦區開展反射槽波探測斷裂構造，在5 m 厚度的煤層中，成功通過反射成像探測出0～15 m 的斷層[10-11]；趙朋朋等[12]在晉城趙莊煤礦5 m 左右厚度的煤層中，利用反射槽波進一步驗證了透射槽波解釋的斷層；楊輝[13]利用反射槽波在陽泉和順礦區探測了5.5 m厚度的煤層中斷層的延伸；鮑遠堂等[14]在凌志達礦4 m 厚度的煤層中利用反射槽波探測了斷層、陷落柱、撓曲3 種地質異常。反射槽波對大斷層的探測已經取得了一定的成果，但對小斷層的探測還缺乏成功應用的案例，反射槽波能否有效探測厚煤層、巨厚煤層內小于3 m 的小斷層這一問題亦一直存疑。為了探究厚煤層內能否形成小斷層的反射槽波，以及最終的成像結果中能否識別到巨厚煤層內小于3 m 的小斷層，本文擬通過對含小斷層的厚煤層、巨厚煤層模型進行正演模擬，研究厚煤層、巨厚煤層條件下反射槽波波場特征，再選取適當的試驗點，研究厚煤層、巨厚煤層內小斷層的反射槽波探測效果。

1 模型建立

參考實際地質情況，設計了三層地質模型，考慮到不同傾角的斷層具有不同的反映，因此，在煤層中設計了不同傾角的小斷層。頂底板為20 m 厚度的砂巖；煤層厚度分別為6 m（厚煤層）、20 m（巨厚煤層）；模型中均含有一條走向斷層，厚煤層中斷層落差為1.5 m，巨厚煤層中斷層落差為2.0 m，斷層傾角為45°和90°兩種。共設計了4 個模型：Model 1 為厚煤層45°小斷層模型，Model 2 為厚煤層90°小斷層模型；Model 3 為巨厚煤層45°小斷層模型，Model 4 為巨厚煤層90°小斷層模型。

參考我國常見的含煤地層巖石物理參數，設定砂巖頂底板的密度為2.26 g/cm3，縱波速度為3 800 m/s。以河東礦區和準格爾礦區煤層物理參數為例，煤層厚度不同，密度和速度略有不同，詳細模型參數見表1。

正演模型如圖1 所示，模型大小為1 000 m×300 m（x、y方向），兩條巷道設計截面為4 m×4 m，長度1 000 m，其中一條巷道布置激發點和接收點，另一條巷道作為參照物，不布設激發點和接收點。斷層位于工作面中部，長度300 m，延伸方向與巷道平行。震源及接收序列位置如圖1 所示。

圖1 正演模型平面示意圖Fig.1 Schematic plane of the forward model

2 正演模擬

正演計算方法采用交錯網格有限差分法進行正演計算[15-16]，網格大小為1 m×1 m×0.5 m，采樣時間間隔為0.5 ms，時長1 s，震源位于巷道內側幫煤層中部，采用主頻為150 Hz 的雷克子波模擬[17-18]。接收道距為10 m。震源的間距為20 m，采用全排列接收方式接收。圖2 是4 個模型的對應的槽波記錄。

圖2a 為厚煤層45°小斷層模型的反射槽波記錄，可以看到最上方的波列為直達槽波，能量較強。除直達槽波外，第二、第三組波列是兩組反射槽波，先到達的是斷層反射槽波，后到達的是巷道反射槽波，巷道的反射槽波比斷層反射槽波能量更強，兩組反射均呈雙曲線形狀。最后一組及記錄右側波列是模型邊界造成的反射，與本文研究無關。正演圖2b 為厚煤層90°小斷層模型的反射槽波記錄，相比于45°斷層，直達波以及巷道反射槽波能量沒有明顯變化，僅斷層的反射有微弱的減弱。

圖2 正演模擬槽波記錄Fig.2 Forward simulation in-seam wave record

圖2c 為巨厚煤層45°小斷層模型的反射槽波記錄，可以看出，相較于圖2a 中6 m 的厚煤層記錄，巷道反射和斷層反射連續性有明顯減弱，能量也有明顯減弱，但仍然能夠分辨兩組反射槽波，且巷道的反射槽波能量依然強于斷層反射波。圖2d 中，巨厚煤層90°小斷層模型的巷道的反射和斷層反射進一步減弱，是4 個模型中對斷層反映最弱的。本次模擬采用y分量接收，因此，在炮點附近的接收道上的反射槽波存在同相軸中斷現象，如圖2a 中第60 至80 道。這是由于Love 型槽波的振動方向與其傳播方向垂直，而炮點附近反射槽波的傳播方向為垂直于巷道走向的y方向，則其振動方向為x方向，因此，y分量檢波器接收到的反射槽波振幅較弱。

選擇傾角45°斷層頻率進行頻譜分析，將6 m 厚度和20 m 厚度煤層中直達槽波、巷道反射槽波、斷層反射槽波的頻譜進行疊加，疊加結果如圖3 所示。由圖3a 可以看出，6 m 厚度煤層中反射槽波能量主要集中在100～250 Hz，巷道反射槽波和斷層反射槽波的歸一化振幅值最大值約為0.3，是直達槽波振幅值最大值的二分之一。煤層厚度6 m，巷道高度4 m，斷層落差1.5 m，由此可知，反射槽波對于規模在1/4 煤厚以上的異常構造，具有較強的探測能力。

圖3b 中，20 m 厚度煤層中槽波能量頻帶更寬，主要集中在100～300 Hz。巷道反射槽波的歸一化振幅值最大值約為0.3，與6 m 煤厚時變化不大，但斷層反射槽波的歸一化振幅值明顯減小，最大值約為0.15。煤層厚度20 m，巷道高度4 m，斷層落差2 m，由此可知，反射槽波對于規模在1/4 煤厚以下的異常構造，仍具有一定的探測能力，但顯著弱于1/4 煤厚以上的異常。

圖3 不同煤厚頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis diagram

由以上厚煤層和巨厚煤層中單炮記錄和頻譜分析的結果可知，反射槽波對斷層落差或異常規模的要求較低，1/4 煤厚甚至更小落差的斷層仍能產生可識別的反射槽波，因此，使用反射槽波成像方法能夠獲得較好的異常成像結果。

3 成像及特征分析

反射槽波的成像方法研究已經有了一定的基礎，其中繞射偏移成像方法計算方法簡單，相比其他方法有獨特優勢[19-20]，因此，本次采用繞射偏移成像方法。

圖4a 為厚煤層45°小斷層模型的反射槽波成像結果，在y方向300 m、x方向400～800 m 范圍有一明顯橫向異常條帶，解釋為巷道反射；在y方向約150 m、x方向400～800 m 范圍有一明顯橫向條帶異常，解釋為斷層反射；x方向0～200 m 的縱向條帶異常為模型邊界效應造成的虛假異常。由圖4 可知，巷道的反射界面及斷層的反射界面都較清晰，成像的異常位置與模型的巷道和斷層的位置也相吻合，表明反射槽波成像能夠明顯識別巷道和小斷層。圖4b 為厚煤層90°斷層模型的反射槽波成像結果。巷道的反射界面與斷層傾角為45°時沒有變化，斷層的反射界面異常稍有減弱，但依然能夠明顯識別巷道和斷層的反射邊界位置。

圖4 反射槽波成像結果Fig.4 Diffraction migration imaging of the in-seam wave

圖4c 與圖4d 為巨厚煤層的45°小斷層模型和90°斷層模型的反射槽波成像結果，y方向300 m 的巷道反射異常依舊明顯，僅范圍稍有變化；y方向約150 m的斷層反射異常明顯減弱，但依然能識別。圖4c 中，斷層反射較弱，斷層反射異常色調與背景色區分明顯；圖4d 中，斷層反射異常色調與背景色有小部分重疊。但總體上，4 個模型的反射槽波成像結果都能識別斷層的邊界位置。

綜合分析4 個模型的正演模擬結果及成像結果：4 個模型槽波記錄中均有明顯的巷道反射，無論煤層厚度是6 m，還是20 m，4 m 高度的巷道均能形成反射槽波，成像結果中也能明顯地識別巷道的位置。煤層厚度6 m，斷層落差1.5 m 時，在單炮記錄和反射成像上，斷層反射均較為明顯；當煤層厚度20 m，斷層落差2 m 時，在單炮記錄和偏移成像上，斷層反射異常存在，但較弱，能識別。斷層傾角為45°，即斷層與煤層斜交時，斷層在反射槽波成像結果上較90°時更為明顯。

當斷層落差小于等于1/2 煤層厚度時，透射槽波成像幾乎很難識別斷層。但只要煤層中存在斷層，就會形成反射槽波，利用接收到的反射槽波進行成像，就能夠識別出斷層的位置，且斷層規模越大，成像結果越好。

4 應用實例

4.1 厚煤層探測試驗

選擇在山西省河東煤田某礦309 工作面回風巷進行反射槽波探測小斷層試驗。該工作面開采二疊系山西組（P1s）2 號煤層，煤層厚度5.7～6.8 m，平均厚度6.0 m。煤層頂底板均為中細粒砂巖。探測時檢波器及激發點布置在巷道中部側幫上，接收道間距為10 m，共布設200 道。激發震源由300 g 礦用乳化炸藥激發，炮孔深度2.8 m，安裝炸藥后孔口用炮泥封堵，激發炮間距為20 m，共激發120 炮。地震儀選用YTZ3 型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。探測試驗結果如圖5 所示。

透射槽波探測結果（圖5a）顯示，工作面有較弱的異常，但無法判斷構造的形態及規模。反射槽波成像（圖5b）中，工作面外段有一較強的反射槽波能量異常，綜合透射、反射資料，推測工作面內可能有一落差較小斷層存在。最終，根據反射槽波成像結果，在工作面外段解釋了一條f16 斷層，落差小于等于3 m，延展長度約300 m。經礦方回采驗證，在槽波解釋斷層位置，實際揭露了一條落差1.5～2 m 的小斷層。

圖5 厚煤層探測試驗透射與反射槽波成像對比Fig.5 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the thick coal seam detection test

4.2 巨厚煤層探測試驗

選擇在內蒙古準格爾煤田某礦進行反射槽波探測小斷層試驗。216 工作面開采石炭系太原組6 號（含6 上）煤層，煤層厚度為18～27 m，平均20 m。煤層頂底板均為中細粒砂巖。觀測系統布置情況為接收道間距為5 m，共布設120 道，激發炮間距為10 m，共激發60 炮。采集儀器為YTZ3 型礦井防爆地震儀，采樣率4 kHz。探測試驗結果如圖6 所示。

圖6 巨厚煤層探測試驗透射與反射槽波成像對比Fig.6 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the extremely thick coal seam detection test

根據透射槽波成像結果（圖6a）顯示，在三維地震解釋的F3 斷層區域有一微弱的透射槽波能量異常，但無法判斷斷層的延展方向和長度。利用該斷層所在巷道進行反射槽波成像（圖6b），發現該斷層反射槽波能量異常明顯，根據反射槽波成像結果對F3 斷層進行預測，解釋該斷層繼續沿SE 走向向工作面內部延展約140 m。經礦方回采驗證，在槽波解釋斷層位置，揭露斷層延展長度與反射槽波探測結果一致，且落差最大僅3 m。

5 結 論

a.正演模擬與實際工程應用結果表明，在構造較簡單的地質條件下，反射槽波能夠識別厚煤層、巨厚煤層內的小斷層，但煤層厚度越大，小斷層的識別程度越弱。

b.與透射槽波法相比，反射槽波法在小斷層的識別上優勢更為明顯。因此，反射槽波探測可以作為厚煤層、巨厚煤層內探測小斷層的一種有效手段，為煤礦安全、高效、智能化采掘提供地質保障。

c.在構造較復雜地區，反射槽波能否探測小斷層反映還需進一步研究。