槽波探测技术在晋城矿区3#煤层的应用与思考

卫金善 窦文武

(山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西省晋城市，048006)

槽波探测技术在晋城矿区3#煤层的应用与思考

卫金善 窦文武

(山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西省晋城市，048006)

槽波探测技术主要是用来探测煤矿回采工作面内部地质构造分布、大小、形态以及煤层变化状态。通过分析近几年槽波探测技术在晋城矿区多个矿井的应用效果，结合理论分析和观测系统优化，总结得出：槽波在晋城矿区3#煤层的发育明显，但反演结果与实际情况还有差距；槽波探测的优势是确定煤层应力集中区和煤层变化带，对断层、陷落柱分辨能力有限。

槽波探测技术 地质构造 晋城矿区 断层 陷落柱

槽波探测技术主要应用于煤炭行业，早在1955年，F.F.艾维逊就对槽波用于采煤业的可能性做了预见性的肯定，但直到1963年才由T.C.克雷正式发表了关于槽波在煤层中传播模式理论。经过世界若干个研究团体多年的努力，槽波技术已经发展成为一种成功率很高的实用型的槽波地震勘探技术(ISS)。ISS在科学上得到了证明，在仪器和方法上得到了发展，并成功地用于世界上各种各样的煤矿区。德国、英国、澳大利亚、美国、波兰、俄罗斯、匈牙利等国已将井下槽波地震勘探作为采前最有效的勘探手段。

1978年，煤炭科学总院、焦作矿业学院、渭南煤矿钻用设备仪器厂和大同矿务局合作开始现场试验，也进行了物理模拟研究和矿井地震仪设备研制；1983年，中国矿业大学开始研发MISS专用处理软件。1986年，煤炭科学总院西安分院引进了SEAMEX85槽波地震仪和专用软件ISS，并先后在大同、开滦、平顶山、徐州、涟邵等矿务局开始试验研究，在陷落柱、冲刷带、断层等小构造中取得了不少成果。20世纪90年代末，晋城矿务局(晋煤集团前身)曾在凤凰山矿、成庄矿做过试验，但效果不是很显著，此后晋城矿务局一直搁置该类研究。近年来，晋煤集团亿欣煤业、长平煤业、赵庄煤业再次进行试验，应用效果良好。晋煤集团引进德国DMT公司最新矿用槽波地震探测仪Summit II，通过在多个矿井探测应用都取得良好效果，但并非业内所说的槽波探测技术可以实现煤矿井下地质构造探测准确率大于85%的说法。

1 槽波形成条件

槽波是地震波的一种。在地质剖面中，煤层是一个典型的低速带，在物理上构成一个 “导波”。当煤层中激发了体波，由于顶底板岩性不同，激发的部分能量被禁锢在煤层中，不向周围岩层辐射，在煤层中相互叠加、干涉，形成一个强的干涉扰动，即槽波。

槽波形成机理如图1所示。煤层内炮点产生地震波，向顶、底板传播，在A区由于地震波的入射角小于临界角，所以一部分能量透过顶、底板向围岩中泄露，而另一部分能量反射回煤层内部，A区称为泄露区。在B区和C区入射角大于临界角，地震波在顶、底板界面上被全反射和全折射回煤层之中，这些反射和折射回煤层之中地震波，在C区内相互叠加混响形成槽波。

图1 槽波形成示意图

根据槽波定义分析，槽波形成有3个基本条件：

(1)顶底板的完整性是槽波能否形成的关键因素之一。复采工作面、分层开采工作面、地质构造特别发育的工作面都破坏了煤层顶底板的完整性，破碎区成为槽波的漏能区，这类工作面形成清晰槽波的几率降低。

(2)顶底板岩层同煤层的差异决定着槽波质量的好坏。煤层上、下界面要形成一个极强的波阻抗分界面。根据斯奈尔定律：

(1)

式中：v1——入射波速，m/s；

v2——折射波速，m/s；

a——入射角，(°)；

θ——折射角，(°)；

c——地震波沿临界面的移动速度，m/s。

当入射角小于临界角时，即v1c时，震波能量全部反射在煤层内部。决定临界角的关键因素是介质的密度，震波从波疏介质向波密介质传播时，折射角大于入射角，才会发生全反射，也就意味着顶底板岩层密度小于煤层时槽波无法形成。

(3)震波的传播需要介质。槽波形成需要多种波相互叠加、干涉形成，如果煤层被完全阻断或中间某段完全被其他介质取代，则难以形成透射槽波，可形成反射槽波，但因隔断介质的不同，反射槽波接收效果相差较大。当工作面被一断距大于煤厚的断层完全阻断，此时，无法用透射槽波探测，只能通过反射槽波探测；如果工作面被一条密闭空巷隔断则反射槽波探测也会失效。

2 晋城矿区3#煤层地质特征

晋城矿区3#煤层位于二叠系下统山西组，属陆相沉积，煤层厚度为4.54～9.63 m，平均为6.10 m，层位、层间距稳定，煤层顶板主要为粉砂岩、泥岩，底板为粉砂岩、中砂岩和泥岩。煤层及围岩的波速和密度情况如表1所示。由表1可知，煤层顶底板岩性特征与煤层差异性较大，砂岩、泥岩、粉砂岩的密度是煤层密度的2倍左右，具备槽波形成的基本条件。

表1 煤层及围岩波速和密度表

通过在晋城矿区赵庄矿5312工作面和成庄矿5308工作面采集到的槽波数据观察可知，槽波信号清晰(虚线区域)，易于分辨，如图2和图3所示。通过近两年试验可知，晋城矿区3#煤层槽波特征明显，槽波的频率主要集中在50～400 Hz，主频在100 Hz左右。

图2 赵庄矿5312工作面槽波数据

3 槽波对地质构造的响应特征

3.1 槽波对断层响应特征

槽波探测方法分为透射法和反射法。反射法主要用于探测断层，理论上讲，煤层中存在反射面就应该形成反射槽波，但实际上并非如此，很多情况下采集不到反射槽波。槽波探测断层反射法剖面示意图见图4。当断层与煤层顶底板夹角(倾角)小于45°时，检波器很难接收到反射波，如图4(a)所示；当断层断距小于1/3煤厚时，反射波也很难被接收到，大部分能量反射到顶底板，如图4(b)所示；当断层位于某一大型断层后方时，也很难探测到，如图4(c)所示。即使断层与煤层顶底板夹角大于45°时，断层与巷道夹角(走向)也会影响探测效果，比如断层与检波器及震源布置巷道夹角大于45°时，也很难采集到反射波。

赵庄二号井2301工作面煤层厚4 m，探测现场和反演结果如图5所示。由图5(a)可知，三维地震圈定3条断层，倾角大于45°，与巷道夹角均小于45°，推测断距为0～2 m，为了进一步确定断距大小和延伸状态，采用槽波反射探测，由图5(b)可以看出只有1条大型断层，综合分析认为探测结果可靠，可能存在因不具备探测条件而未探测出的断层，如JDF87断层位于该断层后方。后经另一条巷道揭露发现该断层断距为8 m。

3.2 槽波对陷落柱响应特征

陷落柱主要由塌陷的岩石碎块组成，这些岩石碎块棱角显著、形状不一、排列紊乱、大小混杂，大的岩块直径可达数米，小的仅几厘米，岩块与岩块之间，充满着岩粉、煤粉和各色粘土，胶结性差，柱内或干燥无水、或存在淋水现象。成庄5308 工作面槽波探测陷落柱如图6所示，槽波埃里相变异区对应为工作面陷落柱，效果明显。

通过实践发现，并不是每个陷落柱都可以很好地被探测出，槽波的形成分为3个阶段，第一阶段为震波激发到槽波形成前阶段，第二阶段为槽波形成阶段，也就是频散稳定期，第三阶段为槽波传播阶段，如图7所示。槽波在传播过程中遇到陷落柱后，发生二次频散，如果能量和距离足够时，可再次形成槽波继续传播。也就意味着槽波能否探测出陷落柱，与槽波穿透陷落柱后能否有足够能量和距离二次形成槽波有关。成庄5312工作面的陷落柱未能被探测出的原因就是二次频散后的震波没有足够的能量和距离再次形成槽波。

图6 成庄5308 工作面探测陷落柱数据变异区与实际对比图

由于不同的陷落柱具有不同槽波频散特征，因此槽波对陷落柱的响应是不同的，有的表现为高速区，有的表现为低速区。震波传播实际是能量的传播，能量衰减与距离和介质有关，根据衰减变化可较好地反映出异常位置，理论说明槽波能量变化对陷落柱的响应特征效果较好；震波能量产生后随着时间推移逐渐被漏失、扩散、吸收，整体趋势是衰减，根据衰减变量的大小可确定异常区。

t0：震波击发时刻； t1：槽波形成时刻；t2：槽波传播时刻；S0：震波传播距离；S1：槽波形成期距离；S2：槽波传播距离图7 槽波遇到陷落柱后传播途径分析对比图

3.3 槽波对其他隐伏构造响应特征

通过对近两年槽波试验数据处理分析发现，槽波对煤层变薄区、应力集中区反映明显。以成庄矿5312工作面为例分析，在工作面切眼处冲刷带，槽波速度明显高于其他区域，且异常区域面积较大，实际揭露煤厚仅仅3.5 m左右，由此可知槽波在煤层变薄区表现为高速区，如图8所示。

图8 成庄矿5312工作面槽波探成果图

通过分析赵庄矿5311工作面、长平矿5312工作面、寺河矿5302工作面探测结果与注浆效果可知，槽波探测的高速异常区的注浆量明显高于非异常区。工作面回采过程中，异常区提前注浆区域回采稳定；未注浆区随着应力释放，煤层及顶板破碎较难支护。由此可见煤层应力集中区也表现为槽波高速区。通过在圣华煤业1301工作面试验应用可知，槽波在煤层受波坏工作面应用效果较差，破碎煤层中震波信号容易发生反射、散射现象，造成震波能量漏失、信号不稳 ，难以形成槽波。因此槽波探测的异常区域判断需要结合相关地质资料和其他物探手段共同确定异常区域的隐伏构造性质。

4 总结

(1)晋城矿区3#煤层槽波发育明显、信号清晰，但对特殊条件的工作面是不适用的，比如受破坏的复采工作面、断层完全隔断的工作面。

(2)槽波对不同地质异常体的响应特征受地质条件本身限制，准确率难以达到较高水平。透射法对断层有反应但难确定断层的倾角和走向，反射法对断层有明显效果，但对断层发育程度要求较高。

(3)槽波探测的优势是确定煤层应力集中区和煤层变化带，但对断层和陷落柱来说存在漏报可能，可结合其他物探手段综合探测。

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ApplicationandthoughtofslotwavedetectiontechnologyinNo. 3coalseamofJinchengminingarea

Wei Jinshan, Dou Wenwu

(Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute Co., Ltd., Jincheng, Shanxi 048006, China)

Slot wave detection technology was mainly used in detecting the distribution, size, form of geological structure in mining face and the coal seam change state. By analyzing the application effects of slot wave detection technology in several mines at Jincheng mining area in recent years, combining with theoretical analysis and observation system optimization, it concluded that the slot wave developed obviously in No. 3 coal seam of Jincheng mining area, but the inversion results still had some differences with the actual situation; the solt wave detection had an advantage in determining the stress concentration zone and change zone of coal seam, but had limited capacity in analyzing the fault and collapse column.

slot wave detection technology, geological structure, Jincheng mining area, fault, collapse column

P631

A

国家重大专项资助项目(JSKF-20140005)

卫金善, 窦文武. 槽波探测技术在晋城矿区3#煤层的应用与思考[J].中国煤炭，2017,43(11)：47-50,105.

Wei Jinshan, Dou Wenwu. Application and thought of slot wave detection technology in No. 3 coal seam of Jincheng mining area[J]. China Coal, 2017, 43(11):47-50,105.

卫金善(1967-)，男，山西阳城人，汉族，地质工程师，本科学历，晋煤集团技术研究院物探工程分公司总经理，主要从事地球物理勘探、水文地质勘查、地测防治水等水文地测相关工作。

(责任编辑 郭东芝)