基于槽波透射法CT成像的工作面煤厚预测

王继来 杨开珍 崔伟雄 牛 欢 吴国庆

（1.陕煤黄陵矿业集团有限公司一号煤矿地测部，陕西 延安716000；2.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安710000）

0 引言

煤炭作为我国的基础能源，在国民经济中占有重要的战略地位。然而，我国煤矿开采条件复杂，煤矿灾害问题日趋突出，其主要原因是不能准确地预测工作面内有何种地质异常。20世纪70年代以来，一些主要产煤国家相继开展了各种煤矿地质构造探测方法，如槽波、坑透、地质雷达等[1-2]。目前地面常用的三维地震勘探方法受地形影响较大；其他井下物探方法也因探测距离短、准确率差等因素很难满足生产需要；井下槽波地震技术顺势而发，凭借其施工方便、受影响因素小、精度高等优点，逐渐成为煤矿地质探测中最理想的物探手段之一。

1 槽波透射法

煤矿井下槽波地震勘探技术具有完整的理论基础，煤层间的波导现象是Evison[3]于1955年在新西兰煤矿首次发现。1963年德国Krey[4]分别从理论方面和实践应用证明了煤层中槽波的存在槽波的大规模研究开始于20世纪70年代中期的德国、英国、美国、澳大利亚等，我国于1977年初开展了这方面的工作[5]。

槽波透射勘探法主要用于探测煤层的地质构造和内部异常，包括煤层厚度变化，夹矸石分布，大、小断层，陷落柱，剥蚀带等。槽波透射法所用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。如图1所示，炮点与检波点(接收点)布置在采区周围不同巷道内，根据槽波的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。透射法探测距离约为煤厚的300倍，是目前最有效的探测方法之一。

图1 透射法勘探示意图Fig.1 Sketch of transmission exploration method

2 拉夫（Love）型槽波频散分析[6-7]

拉夫型槽波是SH波干涉形成的，它的质点是在平行于煤层的平面、垂直于传播方向的平面内作线性极化振动，是一种纯SH波。对于三层对称模型SH波干涉情况。上下弹性半空间为围岩，密度与横波速度分别为ρ1,vs1，切变模量为μ1，中间夹层为煤层，其相应参数为ρ2,vs2及μ2，厚度为2d。计算模型如图2所示。

图2 对称三层模型Fig.2 Symmetrical three-seam model

取SH波满足波动方程的位移场为：

其中 d—1/2煤厚，m；

vs1、vs2—围岩与煤层的S波速度，m/s；

μ1、μ2—围岩与煤层的剪切模量；

ω—圆频率；

cL—拉夫波动相速度；

n—槽波振型阶数。

图3 频散和煤厚关系Fig.3 Relation of dispersion and coal thickness

槽波最大的特点之一是频散，其频散现象主要由煤层特殊的结构所导致，如煤层及其相邻地层各自的厚度和密度及体波速度。煤层和围岩的滞弹性对槽波频散的影响通常可以忽略，密度比的改变对频散曲线的形状影响同样也很小。频散信号的波形依赖于震源的频谱、炮检距和煤层结构的频散特征，因此对槽波的频散和吸收特征进行分析和研究可得到煤层和周围地层的构造特征及煤层厚度等信息。

影响频散的因素有很多，煤厚因素对拉夫波频散特性影响十分明显。随着煤厚增大，Love波主频段降低，同时对应于同一频率波速降低，即同一频率，波速随着厚度增加而减小[8-9]。因此，当煤层变厚时，检测到拉夫波就相当困难，分辨率也降低。从图3还可以得到，不同频率的拉夫波速度成像，对煤厚的敏感程度也是不一样的。槽波的频散特征里携带有围岩、煤层的速度和构造信息。通过对获得的槽波记录进行频散分析，不但可以证实煤层中槽波存在与否，还能用来对煤层中的地质构造及异常现象进行探测[10]。

由于不同的波在煤层中传播速度不同，原始槽波记录上首先接收到的是P波，然后是S波，接下来就是槽波，最后是槽波中的艾里相(Airyphase)。艾里相(Airyphase)频率高，速度慢，是判断槽波接收质量好坏的一个标志。如果接收到艾里相明显，则可判断接收到槽波质量较好，说明煤层稳定，煤厚较大；如果接收到艾里相(Airyphase)不明显或接收不到，则说明槽波受到了扰动，可能是构造或煤厚变化所致。

3 应用实例

3.1 工作面概况

黄陵一号煤矿1001工作面位于一号煤矿十盘区中部，工作面东侧为北一2#回风大巷，北部紧邻1002工作面。本次探测工作所在的工作面回采2#煤，煤层平均厚度约2m。工作面计划由西向东方向推进，工作面设计走向长2500m、倾向宽235m，煤层底板标高880～906m。煤层顶板为基本顶、直接顶和伪顶，伪顶多为泥岩和炭质泥岩；直接顶以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主；基本顶（老顶）以中、细粒砂岩为主。底板为泥岩、砂质泥岩，也有少量炭质泥岩，层位稳定。

3.2 勘探设计

施工进风顺槽时在1425m位置附近揭露煤层变薄现象，煤厚从2m变薄至1m甚至更小，在回风顺槽相对位置也有类似情况，严重影响工作面回采。为了探明1001工作面内煤厚变化的范围和其它异常构造，对1001工作面外部770m进行透射法槽波地震勘探。接收道距采用10m，进风顺槽和回风顺槽选择炮间距为40m。炮孔深3m，药量300g/炮，接收排列长度770m。

图4 不同煤厚Love型槽波频散曲线Fig.4 Lovechannelwavefrequencydispersioncurveof differentcoalthickness

3.3 频散分析[11-12]

槽波是典型的频散波，即槽波的速度随频率的改变而变化。在估算出1001工作面围岩与煤层纵横波速度等参数后，根据Love型槽波频散公式计算槽波的频散曲线，求出各频率上槽波的速度。1001工作面围岩与煤层各个参数如表1所列。计算出的Love型槽波的频散曲线如图4所示。

频散曲线中群速度极小值所对应的频率是槽波埃里相的范围。从上图中可看到，煤厚2m的埃里相在300-500Hz之间，煤厚1m的埃里相在600-800Hz之间。槽波大部分能量分布在埃里相附近。

由实际数据中提取的频散曲线包含较高的噪声，其中噪声成分主要分布在50～100Hz范围以内，而1001工作面的Airy相位恰好在此频率范围之外。这样只需要通过简单的频率域滤波或频率-速度域滤波，就可以获得较好的槽波形态（图5）。可以明显看到，槽波能量变强，特征明显。经几何关系计算速度为950m/s，和上面计算的频散曲线埃里相速度基本一致，说明上述估计参数正确。对滤波后的数据就可以对其进行CT成像处理。

图5 滤波后数据Fig.5 Dataafterfiltering

表1 围岩与煤层参数Tab.1 Wallrockandcoalparameter

3.4 槽波CT成像

从本次采集数据看，槽波能够完全穿透工作面，能量变化很小，说明工作面内部没有5m以上断层和陷落柱，3-5m的断层也很少。对1m和2m的煤层，槽波在频带范围和能量变化较大，相对容易区分，槽波在1m煤厚需要传播一定距离才能使能量衰减。对于实际巷道揭露的煤层变薄区，能量变化较大是在进风顺槽的R41桩号附近，与巷道中该位置由于煤层滑脱构造形成的小型逆断层相对应。进风顺槽R51-R62桩号内能量变化较为剧烈，该位置也正好与巷道揭露该区域煤层分叉的地质现象吻合。根据CT成像图（图6），煤层变薄的范围较大，在进风顺槽一侧影响更甚，而在回风顺槽一侧的影响较弱，整个工作面绝大多数煤层厚度应在2m以上。根据巷道揭露煤层露头情况综合解释出工作面煤层厚度赋存形态（图7），并根据煤层厚度变化情况及本矿回采技术要求对停采线及新开切眼位置提出客观建议，矿方采用后，经生产验证效果极佳。

图7 煤层厚度等值线图Fig.7 The contour map of coal seam thickness

4 结论

综合对透射槽波理论分析和实际工作面探测，可以得到以下结论：

（1）槽波具有频散特性，煤层厚度对槽波频散特性影响很大。随后煤厚的增大，拉夫型槽波的主要频段和Airy相频率迅速向低频移动。通过计算，得出1001工作面拉夫型槽波的频带范围和Airy频段，选取正确参数对数据进行滤波，保留了槽波的有效部分，得到了比较理想的成像效果。因此，选取合适频段进行成像是槽波预测煤厚的一个关键。

（2）槽波透射法具有探测距离大的特点。1001工作面，接收排列长度770m，最大炮检距超过1400m。解决了其他物探方法探测距离不够的问题。

（3）本次1001工作面应用槽波透射法，查明了煤厚变化范围和其他异常体情况。为1001工作的下一步生产提供了依据，为黄陵一号煤矿取得了巨大的经济利益。槽波勘探法是一种新型的矿井物探方法，其应用范围广，干扰因素小。在倾角变化，厚度变化，围岩岩性变化的情况下，也可以使用。该技术能够解决综合地质问题，有使用、推广价值。

［1］胡国泽,滕吉文.中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C].北京：中国地球物理学会,2011.

［2］崔焕玉,朱建民.槽波地震技术探测煤矿地质构造[J].煤炭与化工,2013,36(1)：79-81.

［3］Evison F F.A coal seam as a guide for seismic energy[J].Nature,1955,176：1224-1225.

［4］Krey T C.Channel waves as a tool of applied Geophysics in coal mining[J].Geophysics,1963,28：701-71.

［5］张守恩,姜克富.地震槽波方法试验与研究[J].地球物理学报,1983,26(2)：198-208.

［6］刘天放,潘冬明,李德春,等.槽波地震勘探[M].徐州：中国矿业出版社,1994.

［7］钱建伟,李德春.Love型槽波的基本特性研究[J].中国煤炭地质,2013,25(9)：52-54.

［8］皮娇龙,縢吉文,杨辉,等.地震槽波动力学特征物理-数学模拟及应用进展[J].地球物理学进展,2013,28(2)：0958-0974.

［9］杨小慧,李德春,于鹏飞.煤层中瑞利型槽波的频散特性[J].物探与化探,2010,34(6)：750-752.

［10］乐勇,王伟,申青春,吕东亮.槽波地震勘探技术在工作面小构造探测中的应用[J].煤田地质与勘探,2013,41(4)：74-77.

［11］姬广忠,程建远,朱培民.煤层Love型槽波数值模拟及其频散特征分析[J].煤炭科学技术,2011,39(6)：106-109.

［12］姬广忠,程建远,朱培民.典型含煤模型Love型槽波的频散特征分析[J].煤炭学报,2012,37(1)：67-72.