槽波地震勘探在正利煤业14-1105工作面的应用

李宏宏

(山西焦煤集团 投资有限公司，山西 太原 030024)

槽波地震勘探技术经过多年的研究与应用，已发展成为一种成熟有效的物探方法，广泛应用于煤矿井下构造探测中。郭银景[1]等系统总结了槽波地震勘探技术在煤厚分析、夹矸判别、构造识别等方面的应用情况。刘毅[2]认为槽波地震勘探在探测精度和探测距离上优于其他矿井勘探方法，是目前煤矿井下有效的物探方法之一。武延辉[3]通过槽波勘探技术取得了有价值的探测成果，验证了槽波地震在井下物探中的技术优势。

本文主要是在工作面设计前，联合运用反射槽波勘探法和透射槽波勘探法，对工作面内部地质构造进行探测，并通过巷探和钻探相结合的手段进行验证，为工作面设计提供科学参考。

1 工作面概况

山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司隶属于山西焦煤集团投资有限公司，矿井位于山西省吕梁市岚县，井田面积9.26 km2,产能150万t/a.

14-1105设计工作面位于正利煤业井下一采区，工作面以东为已回采完的14-1104工作面，以西为14-1106工作面，14-1104工作面胶带顺槽与14-1106工作面胶带顺槽间距240 m. 14-1105工作面设计开采4-1号煤层，平均煤厚3.26 m,走向近南北，倾向东，倾角6°～10°，平均8°. 煤层伪顶为砂质泥岩，中间夹薄层细砂岩；直接顶为细砂岩；基本顶为泥岩，颗粒变化较大；直接底为砂质泥岩，有极明显的水平层理，半坚硬，含植物化石丰富。

煤层与围岩间的界面，呈现出良好的地震波反射面，波阻抗差异较明显，有利于槽波在煤层中传播，且工作面宽度在槽波可传播的范围之内，槽波能量衰减相对小。因此，14-1105设计工作面槽波地震地质条件较好。

14-1106工作面胶带顺槽在实际掘进过程中揭露一条落差9 m的断层，命名为F18，而在14-1104工作面胶带顺槽掘进过程中未揭露，初步判断该断层延伸至14-1105设计工作面内。因此，在14-1105工作面设计前急需探清F18断层的影响范围及程度，经过多方论证决定引入槽波地震勘探法进一步查明该工作面内的构造及其展布规律，为工作面采掘部署提供可靠依据。14-5105设计工作面示意图见图1.

图1 14-1105设计工作面示意图

2 槽波地震法勘探简介

槽波地震法勘探是利用槽波在煤层中激发并产生、传播并接收的方法，主要用于探测地质异常体，是一种煤矿特有的物探方法，其传播距离远、能量强、波形特征易于识别。尤其是在工作面设计前，可用于探测工作面内部可能存在的断层、冲刷带、陷落柱等地质构造，为工作面的设计提供可靠依据。多年的槽波地震法勘探实践表明，我国大多数煤矿的煤层和顶底板岩石的物性条件均能形成良好的波导层，适用于槽波地震法勘探[4].

根据震源与检波器安设位置的不同，槽波地震法勘探又可分为槽波透射法和槽波反射法。该次探测是槽波反射法和槽波透射法的联合应用。

槽波是沿煤层传播的一种导波，因此，如果煤层中的局部区域和其它区域之间存在物性差异，就会导致经过这一区域的槽波在传播速度或能量上发生差异[2]，且变化的程度与地质异常体的类型与性质相关[5]. 透射槽波CACT成像技术正是利用这一原理，根据每条槽波射线的能量透射情况，反演出工作面内煤层的物性参数，再借鉴ART、SART、LSQR等CT算法，对工作面进行成像[6].

反射槽波法的原理是炮点在巷道侧帮激发并产生槽波后，槽波将沿着煤层传播，当煤层中存在地质异常体时，一部分槽波会发生反射，从而被与炮点布置在同一侧的检波器接收到[6]，形成反射线。反射槽波CDM成像方法正是基于这一理论，通过炮点、接收点、反射点构成的三角数学关系，根据接收到的反射槽波的传播时间推断出反射线的位置。这种成像方法精度相对较高。

以上两种成像技术各有优缺点，在实际应用中往往结合使用。

3 探测方案设计

3.1 探测范围及测点布设

该次槽波地震勘探分别在14-1104工作面胶带顺槽和14-1106工作面胶带顺槽侧帮布置炮点和检波点，其中14-1104工作面胶带顺槽布置测线1 710 m，14-1106工作面胶带顺槽布置测线1 160 m，探测测线总长度2 870 m.

两相邻检波点之间的距离，与煤层厚度和探测范围等因素有关，一般取平均煤厚的3～4倍，14-1105设计工作面平均煤厚为3.26 m，因此探测检波点间距设置为10 m. 至于检波孔径，不同仪器要求的检波孔规格不同，该次探测选用的仪器要求孔径42 mm，孔深3 m；而两相邻炮点之间的距离，一般和道间距对应。综合考虑14-1105设计工作面地质条件、选用仪器特点、施工工期及成像要求等经济、技术指标，探测方案设计每隔10 m或20 m布置1个炮点，编号为S，炮孔深3 m，方向垂直于煤壁。为保障作业安全，单孔药量为0.3 kg，共设计炮点172个。检波点每隔10 m布置1个，编号为R,共设计检波点289个，可以有效覆盖探测区域。槽波探测测点布置表见表1.

表1 槽波探测测点布置表

3.2 施工方法

施工过程中，按事先标记好的测点位置布设仪器和检波器。将检波器连接到巷道锚杆上，检波器与仪器之间用测线连接。在每个激发点(炮点)放炮，所有的检波点均接收并记录。数据采集仪器选用某研究院研制的存储式无缆遥测地震仪，采样间隔0.25 ms，记录时长2 s.

14-1105设计工作面槽波地震探勘采集到有效数据172炮；测点布设289道，测线总长度2 870 m. 完成了方案设计的工作量，采集数据全部合格。

3.3 数据处理与解释

3.3.1数据处理

采用某研究院研制的槽波地震数据处理系统对该次槽波地震勘探原始数据进行处理。将采集到的原始数据进行数据预编辑、初次校正、槽波能量扩散补偿、宽频滤波、波场类型和速度分析、频散分析等处理后再进行反射槽波CDM成像和透射槽波CACT成像。

数据处理流程中速度分析最为重要，因为速度贯穿于槽波地震勘探数据采集、数据处理和资料解释的全部过程。速度分析结果的质量，决定了成像效果和解释结果的准确度。

数据处理后选用反射槽波CDM成像还是透射槽波CACT成像还需要进一步分析。以14-1105设计工作面S118炮数据为例进行初步分析，见图2a)，实际采集到的数据中包含有部分噪声，经过频谱分析，发现噪声成分主要分布在100 Hz以下。为了提高槽波的信噪比，将该工作面采集到的槽波数据进行带通滤波后，可以明显看到反射槽波与直达槽波能量变强，波形特征也更为明显，见图2b). 因此，这类数据经滤波处理后，可以进行反射槽波CDM成像。

图2 S118炮滤波前后数据对比图

以S56炮为例进行初步分析，见图3a)，这是S56单炮记录中显示的一组波，由于槽波较强，折射纵波和横波反映较弱。实际采集数据中也包含部分噪声，经频谱分析，噪声成分主要分布在100 Hz以下。为了提高槽波的信噪比，同样对该工作面采集的槽波数据进行带通滤波后，可以发现经滤波处理后的槽波能量变的更强，波形特征也较明显,见图3b). 因此，利用滤波后的这类数据可以进行透射槽波CACT成像等处理作业。

3.3.2反射槽波CDM成像

在对数据进行滤波、增强等处理后，采用反射槽波CDM成像法对14-1105工作面进行反射成像，成像结果见图4，图中灰色区域为正常区域，亮色条带为异常区域，一般对应着断层或陷落柱的反射面。对异常区域进行有针对性的精细处理，并结合成像区域内反射槽波单炮记录，可以确定反射界面相对准确位置及形态。

由图4可见，通过对14-1105设计工作面反射槽波CDM成像，发现该工作面内存在两处地质异常。其中，右侧异常区与14-1106工作面胶带顺槽掘进过程揭露的F18断层基本一致，并依据异常区形态特征推测了F18断层在工作面内的展布情况；左侧异常区域为14-1105工作面内隐伏地质异常，依据异常区形态特征并结合区域地质资料，推断其为隐伏在工作面内部的正断层，命名为CF1.

3.3.3透射槽波CACT成像

对14-1105设计工作面进行透射槽波CACT成像。按照工作面大小建立一个X方向为1 710 m，Y方向为240 m的模型，面元大小为5 m×5 m，因此，X方向有342个面元，Y方向有48个面元，每个面元代表一个5 m×5 m的煤层平均槽波振幅。对采集到的数据进行滤波，从中求出槽波从每一个炮点激发后，传播到每一个检波点的时间，即每条射线的传播时间。将所有射线的传播时间代入到CT算法中，进行数学运算，最终得到此模型上每个网格点的能量分布，成像结果见图5，图中灰色区域代表槽波能量能够穿透工作面，说明工作面内部构造断层落差较小或者相对简单，亮色区域代表槽波能量低穿透区或未能透过去，表明有地质异常体的存在。

图3 S56炮滤波前后数据对比图

图4 14-1105设计工作面反射槽波CDM成像结果图

图5 14-1105设计工作面透射槽波CACT成像结果图

由图5可见，14-1105设计工作面通过透射槽波CACT成像发现两处地质异常。左侧异常区域与反射槽波CDM成像发现的CF1断层以及14-1104胶运顺槽实际揭露的F36位置接近。右侧异常区与反射槽波CDM成像控制的F18断层产状特征基本一致。

3.4 成果综合解释

煤层中的地质异常体在成果中具有多解性，需要根据反射槽波CDM、透射槽波CACT成像等方法初步圈出异常区范围后，再结合工作面的相关地质资料对异常体进行合理解释，才能准确地确定异常体所处的位置及范围。

根据反射槽波CDM成像结果与透射槽波CACT成像结果，结合14-1104工作面胶带顺槽和14-1106工作面胶带顺槽实际揭露情况，该次槽波地震勘探共解释出断层4条，由北向南依次命名为F18、CF2、F36、CF1. 其中，F36断层在14-1104工作面胶带顺槽掘进过程中实际揭露，落差1.3 m，与槽波解释基本一致；F18断层在14-1106工作面胶带顺槽掘进过程中实际揭露，通过槽波地震勘探修正了其展布规律；CF2断层在14-1104工作面胶带顺槽掘进过程中实际揭露，落差2.1 m，通过槽波地震勘探修正了其展布规律；CF1断层为槽波地震勘探新发现断层，未发现其它地质异常体。构造解释成果见图6.

图6 14-1105设计工作面槽波地震勘探构造解释成果图

4 成果验证

该矿在14-1106工作面胶带顺槽施工到位后，施工一条探巷用于验证CF1断层，掘进108 m后，揭露一条倾角74°，落差11 m的断层，证实了槽波地震解释出的CF1断层的存在；对于F18断层的验证，先是在14-1104工作面胶带顺槽和14-1106工作面胶带顺槽共施工11组33个钻孔，基本控制了F18断层走向后，又施工另一条探巷，掘进至161 m处揭露一条倾角83°，落差9 m的断层，与槽波地震解释一致，由此证实槽波地震法勘探在探测煤矿地质构造中的有效性。

5 结 论

槽波地震勘探在正利煤业14-1105设计工作面的应用，成功解释出4个地质异常体，经钻探和巷探验证为4条断层，并进一步确定了断层在该工作面内的展布规律，该次探测对断层的识别率达到100%，且未出现假异常体识别，为下一步采掘布置、工作面安全评价及现场管理等提供科学参考，同时也有利于资源的科学合理利用。