槽波法在賀西井田4號煤層中的應用

＊梁鵬林

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司賀西煤礦資源地質部 山西 032000）

前言

井下含煤地層主要為沉積巖，包括泥巖、砂巖（粉砂巖、細砂巖等）和灰巖等，其中煤層頂底板多以泥巖、砂巖或灰巖為主，井下煤層與周圍巖層相比，煤層具有速度低、密度小的特點。圍巖的地震波縱波速度VP值位于3.0～4.8km/s，橫波速度Vs值位于1.6～2.8km/s，密度ρ值位于2.4～2.8g/cm3，煤層的地震波縱波速度VP值位于1.8～2.4km/s，橫波速度Vs值位于0.9～1.4km/s，密度ρ值位于1.3～1.4g/cm3。根據以上數據分析可得，在煤巖層剖面中，會形成一個以煤層為中心的相對低速槽[1]，煤層與周圍巖層之間的密度和速度的比值大約為1.5～3.0，煤層與其頂底板的上下界面存在一個非常強的波阻抗分界面。以上為煤層中槽波能夠發育和形成的煤層與圍巖之間的物理性質特征條件。

在井下地層地質剖面中，煤層相對頂底板圍巖是一層典型的相對低速度的軟弱夾層，在物理特征中可構成一個波導，當在煤層中人工激發了地震體，地震波的一部分能量會在煤層與頂底板界的反射界面形成多次反射，當發生多次全反射時，地震波能量被禁錮在煤層及鄰近的巖層中，導致其能量不能向圍巖繼續輻射，以上情況中的各種地震波（縱波、橫波及面波等）在煤層槽中進行相互疊加與干涉，最終可形成一個強的干涉擾動，即為槽波，槽波是以煤層為波導，巖煤層槽向前傳播。以上即為槽波形成的完整過程。

本文以賀西井田2417工作面4號煤層及頂底板物性特征為例，經過試驗采集地震波數據，采用頻散[2]分析等技術識別槽波的頻率及速度特征，并對2417工作面進行實際探測，進而分析總結槽波法的實際應用效果。

1.槽波地震勘探方法

槽波地震勘探[3]方法屬于井下物探技術方法的一種，其具有良好的發展潛力，且目前在實際生產中應用較廣。該方法的技術特點有勘探距離遠，對地質異常體的分辨精度較高，現場不受電力設備的干擾，最終成果表達方式直觀，主要是用來探測工作面測區范圍內的斷層、煤層結構變化、陷落柱發育范圍、褶曲變化等地質異常體。

目前槽波勘探方法的基本觀測方式有三類：透射法、反射法及透+反射聯合勘探法。本文中實際測試時主要采用槽波透射勘探法。槽波透射勘探方法實際探測時，震源一般采用炮震激發，接收點使用60Hz左右的速度檢波器進行接收，觀測系統布置時炮點與檢波器排列需分別布置于工作面的不同巷道內，即在工作面內的上巷（下巷）炮震激發下巷（上巷）接收。數據處理與資料解釋時，需先識別炮震激發透射地震波的透射槽波，然后根據透射槽波的強弱，根據槽波能量的衰減強度來判別工作面內是否存在地震異常體，一般煤層連續時槽波能量強且槽波能量軸呈連續狀發育，當遇到地質構造時槽波能量減弱且槽波能量軸出現錯斷。最后根據多次迭代重建技術進行CT成像，確定槽波能量衰減時穿過地質異常體的位置及范圍。

2.試驗性探測

(1)地質概況

2417工作面位于二采區西翼，底板標高為694～770m，地面標高為962.7～1102.5m。起于4#輔助皮帶巷，止于西側井田邊界。由2417回風聯巷（33m）、2417進料聯巷（67m）、2417材料巷（1181.8m）、2417運輸巷（1335.5m）、2417切割巷（180.5m）、2417輔助材料巷（154.1m）、2417小切眼（65.8m）構成。北側為34K4，東側為大巷保安煤柱，南側為2416回采工作面，西側為井田邊界，靠近金家莊煤礦，上部為2317采空區。2417工作面上部西北720～1356m范圍為薛家嶺舊村（已搬遷），東南方向為薛家嶺瓦斯發電站。

本工作面在山西組4#煤層中掘進，根據鉆探資料及井下實測資料，地質構造簡單，基本呈單斜構造及次一級的褶皺構造，傾向NW。根據上部及周邊巷道揭露地質情況，預計在2417工作面掘進過程中揭露斷層情況如下：

（1）F41斷層：預計材料巷560m位置揭露，正斷層，落差3m，傾向290°，傾角60°；

（2）F42斷層：預計材料巷630m位置揭露，正斷層，落差1.5m，傾向255°，傾角15°；

（3）F57斷層：預計運輸巷1210m位置揭露，正斷層，落差1.2m，傾向185°，傾角76°；

（4）F45斷層：預計運輸巷300m位置揭露，正斷層，落差2.3m，傾向246°，傾角25°。

(2)煤層概況及地球物理條件分析

本次試驗性探測地點選取賀西煤礦4號煤層2417工作面，工作面開采賀西井田4號煤層，煤層平均厚度4.25m，煤結構：1.20(0.25)2.80，夾矸為泥巖。煤層頂底板詳情見表1。

表1 煤層及頂板詳情

2417工作面直接頂板和直接底板均為較堅硬砂質泥巖，其中直接頂平均厚度8.49m左右，直接底平均厚度5.16m左右，4#煤層平均厚度4.25m左右，煤層有一穩定厚度（0.25m）夾矸。根據以上煤層及頂板詳細結構分析，2417工作面煤層與其頂底板圍巖的物性（密度、速度）差異較大，煤層與頂底板圍巖的波阻抗差異較明顯。綜合分析，煤層與圍巖間的界面，呈現為良好的地震波反射面，有利于槽波在煤層中傳播。

(3)現場布置

2417槽波勘探試驗采用槽波透射觀測系統，共布置兩條測線，分別為（1）運輸巷和小切眼炮震激發材料巷與輔助材料巷布置接收測線；（2）材料巷、輔助材料巷和切割巷炮震激發運輸巷接收測線。本次槽波勘探控制運輸巷自停采線至切眼口長1260m、材料巷自停采線至切割巷口長1100m、輔助材料巷長154.1m、切割巷長180.5m，小切眼長65.8m左右范圍。現場勘探時炮間距采用20m，道間距采用10m。

運輸巷和小切眼炮震激發材料巷與輔助材料巷布置接收測線布置炮點時分別對應運輸巷0、2、4……126測點位置；小切眼炮點按照20m炮間距進行布置，分別對應小切眼1、3、5測點位置；對應材料巷與輔助材料巷按照10m間距布置接收檢波點，自0～126結束，共計127接收檢波點。

材料巷、輔助材料巷與切割巷炮震激發運輸巷接收測線布置炮點時按照20m炮間距進行布置，材料巷與輔助材料巷常規炮點對應材料巷與輔助材料巷0、2、4……126測點位置；切割巷炮點按照20m炮間距進行布置，分別對應切割巷1、3、5……17測點位置。對應運輸巷按照10m間距布置接收檢波點，自0～126結束。共計127接收檢波點。

(4)槽波數據分析

本次槽波數據分析主要通過原始數據對比查看與頻散分析確定槽波的發育程度，為后續槽波資料處理及解釋提供一定參考。圖1為本次工業性試驗槽波S34炮單炮數據記錄，圖2為S34單炮記錄中42道數據的頻散分析結果圖。從單炮原理記錄中可以看出4號煤層槽波能量發育，橫波欠發育，縱波橫波疊在一起，綜合分析，試驗區域采用槽波勘探方法有利于槽波的識別與提取。從頻散分析結果可知，槽波埃里相在100Hz附近，速度800m/s左右，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近，能量軸清晰，其噪聲成分主要在0～40Hz范圍以內，有利于槽波提取。

圖1 槽波勘探S34炮單炮記錄

圖2 槽波勘探S34炮42道頻散分析

(5)槽波資料解釋與驗證

槽波透射法的數據處理主要包括：數據加載、預處理、建立觀測系統、初至校正與拾取、能量補償、頻散分析、槽波提取、槽波能量衰減反演、CT成像等。經過槽波透射法數據處理流程可得到槽波透射能量衰減系數成像圖，見圖3。資料解釋時，首先將槽波透射勘探重的能量衰減系數[4]CT成像結果圖與所探測工作的兩巷巷道實測地質剖面進行對比分析，沿巷道實測剖面中逐點對比其與巷道實際揭露的煤層、巖層、地質構造的對應程度。如果巷道為全煤則CT成像圖中的能量衰減系數相對較低，如果受到斷層、陷落柱等地質構造發育或煤層變薄影響的巷道為全巖或半煤巖時，其能量衰減系數會相對增大。通過以上方法進行對比，可分析、總結與驗證能量衰減系數CT成像圖正確與否，當能量衰減系數CT成像結果與巷道實測煤巖性、地質構造發育位置基本對應時，CT成像圖用于對工作面面內地質構造的解釋。同時，通過槽波透射能量衰減系數CT成像圖與巷道實測剖面的對比，能夠總結出工作面內斷層、陷落柱、褶曲、煤層變薄帶等不同地質構造異常的能量衰減系數發育特征，確定槽波透射勘探重對異常的劃分標準。最后，根據以上總結出的的異常劃分標準，之后可以根據工作面中兩巷道的走向宏觀劃分槽波能量衰減系數異常區，分析槽波異常區的表現形態和特征，如小范圍離散狀、條帶狀、面狀等，沿煤層傾向或沿巷道走向；之后，通過進一步分析能量衰減系數與能量衰減變化特征，在細節上分析異常區的分布形態，并推斷其引起異常變化的地質因素。

圖3 槽波勘探能量衰減系數CT成像圖

根據以上原則，本次槽波透射探測試驗共解釋2處異常區，見圖3中的①和②位置處的區域范圍。在①異常區內工作面材料巷揭露的F41和F42斷層、運輸巷揭露的F45斷層，結合該資料綜合分析，推斷解釋①異常區為斷層導致的煤層破碎、煤層變薄等因素影響；在②異常區內未揭露地質構造，結合賀西礦為高瓦斯礦資料綜合分析，推斷解釋②異常區為受瓦斯富集影響導致的應力集中影響所致，異常區內煤巖體破碎。

經過工作面回采驗證，本次槽波勘探的②異常區范圍內受斷層影響煤層變薄，正常煤層平均厚4.25m左右，煤層最薄區域1.8m左右，與槽波探測結果基本吻合。

3.結論

通過對槽波勘探中槽波形成原理、勘探原理的分析，選定賀西井田4號煤層2417工作面進行槽波勘探工業試驗，經過對4號煤層頂板巖性特征分析及槽波實測結果綜合分析后,可得如下結論：

（1）槽波法是一種有效的探測工作面地質構造的發展手段，具有勘探距離遠，對地質異常體的分辨精度較高，現場不受電力設備的干擾，最終成果表達方式直觀的技術特點；

（2）賀西井田4號煤層槽波發育，槽波勘探應用效果良好，可作為一種有效探測地質構造的技術手段推廣應用；

（3）槽波法探測效果好壞與槽波發育程度有較大的關系，在槽波發育的地質條件下其應用效果理想，而槽波不發育的區域需采用其他解釋手段進行補充，探測效果需驗證分析。