陷落柱發育礦區槽波探測應用研究

摘 ?要：陷落柱發育區域，物探探測手段受工作面內的陷落柱相互影響，探測精度一直不高，未查明的隱伏陷落柱會對工作面回采造成較大的影響。因此，在陷落柱發育礦區對陷落柱的發育形態進行精準探測對煤礦安全高效回采具有重要意義。該文以陽泉礦區兩個工作面的構造探測為例，利用透射槽波地震探測方法在兩個工作面進行探測，成功預測了工作面內隱伏構造。結果表明，透射槽波地震探測能夠在陷落柱發育礦區準確判斷陷落柱的發育形態，精度較高。

關鍵詞：陷落柱發育、陽泉礦區、透射、槽波

中文分類號：P631.4 ?文獻標識碼：A ???文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0000-00

Research on the Application of Channel Wave Detection in Multiple Subsidence Pillar Mining Areas

?In the area with frequent collapse columns， the geophysical detection means are affected by the collapse columns in the working face， and the detection accuracy has not been high. The unidentified hidden collapse columns will have a great impact on the mining of the working face.?Therefore， the accurate detection of the development form of collapse column in the mining area with collapse column development is of great significance to the safe and efficient mining of coal mine. Taking the structural detection of two working faces in Yangquan mining area as an example， the concealed structures in the working faces are successfully predicted by using the transmission channel wave seismic detection method.?The results show that the transmission channel wave seismic detection can accurately judge the development form of collapse column in the mining area with high accuracy.

Multiple collapse column areas; Yangquan mining area; Transmission; Channel wave

陽泉礦區位于晉東煤炭基地，資源儲量巨大，開采歷史悠久，作為華北煤田主要產煤區，從古至今為國家提供了寶貴的煤炭資源，但同時，陽泉礦區也是陷落柱最為多發的區域之一，而陷落柱由于其可能的導水性及瓦斯賦存，對煤礦安全造成極大威脅。即使陷落柱不含水、不導水、不含瓦斯，其造成的工作面無法高效回采問題也給煤礦生產帶來較大的問題。因此需要在回采前，對工作面內隱伏的陷落柱進行探測，以便回采時及時應對，以調整回采方案，最大限度地保障安全并提高生產效率。

陽泉礦區位于山西省陽泉市，整個井田仍屬于沁水盆地，地處東北邊緣。石炭二疊系為其含煤地層，總共有16層煤層，主力開采煤層為石炭系上統太原組（C）的15號煤層、8-9號煤層，以及二疊系下統山西組（P）的3號煤層。15號煤煤層厚度3.5～9.2 m，8-9號煤煤層厚度0.6～4.2 m，3號煤煤層厚度0.5～4.3 m。礦區地層總體呈NW-SE走向單斜構造，自五臺期、阜平期構造旋回開始，經歷多期構造運動，褶皺伴生斷層較發育，但主要還是環狀陷落柱構造極為發育。

陽泉礦區陷落柱探測已經有了較多的應用，地面物探方法有三維地震探測，井下物探方法包括瑞利波探測、無線電波坑透探測。近年來井下槽波地震探測方法也開始應用陷落柱探測，華陽集團甚至將槽波探測和無線電波坑透探測兩種方法寫入集團公司礦井防治水條例，開展了較大規模的井下槽波探測項目。

震動波在煤層中傳播遇到地質構造時，會發生波動變化，槽波地震探測就是利用這一原理來探測隱伏地質構造的礦井物探方法。根據觀測系統布置的不同，又分為透射法、反射槽波探測法，還有在反射法基礎上發展起來的槽波超前探測。

透射法是在已經形成的工作面兩條巷道進行激發接收震動波（見圖1），通過震動波傳播的能量及速度變化進行探查斷層，陷落柱等各種地質體或異常。

3.1 ?工作面概況

陽煤一礦位于陽泉市區西北，目前主要回采15號煤層，煤層厚度一般在6 m左右。此次探測的兩個工作面開采煤層均為15號主力煤層。81210工作面平均煤厚6.63 m;煤層傾角一般4°左右;工作面巷掘進過程中揭露陷落柱2個，斷層1條，工作面內有4個上組煤發育投影下來的陷落柱。8304工作面平均煤厚4.85 m;掘進過程中揭露斷層2條。工作面內有1個上組煤發育投影下來的陷落柱。

3.2 ?觀測系統設計

此次槽波探測測線分別沿兩個工作面的進、回風巷及切眼布置，其中81210工作面測線長度2 840 m，8304工作面測線長度2 840 m。

81210工作面從巷道開口開始，采用20 m炮間距，巷道回采側幫共布設激發點128個。采用10 m接收間距，巷道回采側幫共布設接收點285道。8304工作面從巷道開口開始，采用20 m炮間距，巷道回采側幫共布設激發點93個。采用10 m接收間距，巷道回采側幫共布設接收點201道。

3.3 ?數據分析

槽波地震的資料處理與一般的物探資料處理有相似之處，首先是排除異常道和炮，因為異常數據會影響振幅衰減的判斷，對后續的成像造成不良影響。其次需要消除不同雷管激發造成的時差，對各數據進行初至校正。數據整理完畢后，對由于遠道造成的槽波能量衰減進行擴散補償，來提高射線密度的均一性。最后是根據槽波的頻散特性，識別出槽波的埃里相頻率，進行濾波，排除無效波對成像的影響。這樣就可以得到可以成像的原始單炮記錄，從單炮記錄上也可以看到槽波能量由于工作面內陷落柱造成的能量減弱（見圖3）。

3.4 ?頻譜分析

通過波場分析，可以計算出槽波的頻譜曲線如圖4所示。從頻譜曲線圖中可以看出，兩個工作面采集到的槽波主頻均在100～300 Hz之間，歸一化振幅值峰值均在0.6左右，8304工作面槽波頻率范圍相對更寬。

3.5 ?圖像重建及反演

CT成像算法采用聯合代數重建法（SART），這種算法根據ART算法改進而來，主要在誤差修正上改進計算方法，加快收斂速度，使ART算法更清晰，公式如下：

其中，定義投影誤差：。

類似于光纖中光波的傳播原理，當煤層結構穩定無構造時，槽波能量衰減緩慢、有較強穿透性。當煤層中發育陷落柱時，槽波能量會被陷落柱吸收，造成能量衰減。每一個激發點激發的槽波都能形成一個槽波能量的穿透情況，將所有激發點形成的穿透情況進行疊加整合，就能對工作面內陷落柱的發育情況進行合理地判斷。

實際成像時，按照觀測系統范圍大小建立一個平面的二維模型，網格大小選擇5 m×5 m。每一個激發點激發的槽波能量的穿透情況都反應到單個網格內槽波的振幅，疊加整合后，就能得到這個二位平面內槽波能量發育情況。

圖5是81210工作面最終的槽波探測構造解釋圖，從圖中可以發現明顯陷落柱異常有12處，除了對揭露的6個陷落柱向工作面發育的情況有明顯的預判外，此次探測新發現6個陷落柱。根據槽波探測的結果，礦方提前布置鉆孔進行打鉆驗證，新解釋的6個陷落柱全部鉆孔揭露，因此礦方提前選擇的兩個陷落柱密集區域進行跳采，避免了工作面綜采設備割巖以及工作面無法高效回采的情況。

圖6?是8304工作面最終的槽波探測構造解釋圖，在圖中共解釋了3個陷落柱，1個煤層頂板破碎帶。根據回采情況驗證，在陷落柱附近，礦方提前加強支護，保障了工作面的安全回采。

（1）透射槽波在陽泉礦區較為發育，槽波頻率主要集中在100～300 Hz，探采結果對比表明，探測誤差可以控制在10 m 以內。

（2）陷落柱發育礦區，透射槽波依然能夠清晰的判斷陷落柱的發育形態，精度較高，根據槽波探測成果，可以提前調整工作面回采方案，為煤礦安全快速掘進提供保障。

[1] 范徳元，吳國慶，馬彥龍.槽波技術在陽泉礦區地質異常體探測中的應用研究[J].煤田地質與勘探，?2021，49（4）：33–39.

[2] 李成.陽泉礦區陷落柱分布特征一與褶皺、斷層及地震的關系探討[D].太原：太原理工大學，2015.

[3] 王一，秦懷珠.陽泉礦區地質構造特征及形成機制淺析[J].山西煤炭，1998（3）：29-32.

[4] 王慧明，王一.陽泉礦區礦井防治水技術保障體系淺析[J].山西煤炭，2017，37（4）：69-72.

[5] 程建遠，李淅龍，張廣忠，等.煤礦井下地震勘探技術應用現狀與發展展望[J].勘探地球物理進展，?2009，32（2）：?96-100，111，79.

[6] 蘇曉云.透射槽波在開灤礦區煤層厚度變化探查中的應用[J].中國礦業，2019， 28（S2）： 322-325，330.

[7] 王季，李建政，吳海，等.透射槽波能量衰減系數成像與陷落柱探測[J].煤炭科學技術，2015，43（1）： 108-111.

[8]姬廣忠， 楊建華， 張廣學， 等. 槽波振幅衰減系數CT成像技術應用[J]. 中國煤炭地質， 2015， 27（9）： 75-78.

[9]焦陽，衛金善，楊新亮，等.煤礦陷落柱槽波探查技術及應用[J].能源與環保，2019，41（1）：62-69.

[10]蘇曉云.我國主要礦區典型煤層槽波賦存發育特征研究[J].煤炭工程，2020，52（ 10） ： 137-42.

[11]高銀貴.復合勘探技術在奧灰承壓水害防治中的應用[J].煤炭工程. 2020， 52（S1）： 58-61.

基金項目：國家重點研發計劃課題（項目編號：2018YFC0807804）;中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目（項目編號：2020XAYDC02-03，2020XAYJSQ12）。

作者簡介：蘇曉云（1988—），男，碩士，助理研究員，主要從事地質及煤田地質工作。