准备工作面走向断层探测技术的应用研究

王海波 魏著霖 焦 阳 窦文武

(1.山西汾西矿业(集团)有限责任公司双柳煤矿，山西省吕梁市，033303；2.山西三晋华易矿井技术服务有限公司，山西省太原市，030006；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术研究院，山西省晋城市，048006)

随着我国煤矿开采强度的加大、开采深度的增加，陷落柱、断层等复杂构造对工作面的回采影响巨大，特别是走向断层的发育，严重影响准备工作面的巷道布置和采掘衔接。如果无计划地揭露走向断层，不但会造成采掘工作面大范围冒顶、片帮，还可能引发瓦斯突出、突水等事故，还会造成不可估量的人员伤亡和经济损失[1-2]。因此，对煤矿准备工作面走向断层的精准探测十分重要。

对比以往工作面地质构造探测的众多方法，如三维地震勘探[3]、无线电波透视[4-5]和钻探[6]等，槽波地震勘探具有探测精度高、探测距离大、抗干扰能力强、解释成果直观等优势，特别是槽波反射法勘探，可利用单一巷道对探测区域进行不同波阻抗介质的界面探测，理论上对走向断层反应灵敏[7-8]。因此，拟选用槽波反射法勘探，对研究区域的准备工作面进行走向断层的精确探测，用以指导矿井安全生产。

1 槽波反射法勘探原理

在地质剖面中，煤层是典型的低速带，在物理上构成“导波”，当煤层中激发一个震动时，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，在煤层中相互干涉、叠加，形成一个强的扰动，即槽波。

槽波地震勘探方法分为透射法和反射法，槽波反射法是将炮点和接收点布置在同一巷道，当震源激发后，地震波以球面形式向外扩散，遇到波阻抗不同的2种介质界面后，发生反射，被检波器接收，经过后期处理得到反射界面的位置和延伸长度，如图1所示。另外，槽波反射法勘探适用于槽波艾里相频率较高、槽波艾里相群速度较低的煤层中，特别是在槽波断层探测应用中，如果断层走向与观测系统轴线角度过大，或者断层与探测测线距离较近，将会很大程度影响反射槽波的接收[9-13]，因此观测系统的布置和槽波数据的处理十分重要。

图1 槽波反射法勘探

2 2107准备工作面观测系统布置

2.1 探测区域概况

山西华晋吉宁煤业2107准备工作面设计走向长1120 m，开切眼宽245 m，主采2号煤层，平均煤厚6.28 m，稳定可采。目前，2107运输巷已掘进到位，2107回风巷掘进245 m，距离三维地震勘探显示的F7断层(东西向，断距8 m)约50 m，按照矿方巷道掘进过程中正常的超前钻探距离(约70 m)，本应揭露的F7断层并未在2107回风巷掘进工作面被探测到。因此，为有效探明该断层是否存在及其漂移情况，利用已形成的2107运输巷展开槽波地震反射法勘探及相关研究。

2.2 观测系统布置

本次槽波反射法勘探采用德国DMT公司的Summit Ⅱ Ex防爆槽波地震仪[14]，测线长度1110 m，在2107运输巷布置检波器74个，检波器间距15 m，布置反射炮孔75个，炮孔间距15 m，单孔炸药量为200 g，炮检距为7.5 m，如图2所示。

图2 2107准备工作面槽波地震勘探观测系统布置图

另外，考虑到槽波反射法探测的单炮记录中，直达槽波与直达纵波和直达横波难以区分，无法精确计算槽波速度，特在2107回风巷布置6个透射炮孔，炮间距15 m，通过槽波透射法探测单炮记录得到区域内槽波速度，为后期的数据处理和分析提供依据。

3 2107准备工作面槽波数据处理

槽波反射数据处理的关键是通过提高原始地震记录的信噪比，并从中提取与解释目标相关的参数和信息，进行数学分析和计算，以此判别异常体的位置和延展范围。

3.1 典型反射炮单炮记录

第74炮共炮点道集如图3所示。从第74炮的槽波记录可以看出，震源激发后，直达槽波沿煤壁最先到达接收点，且与检波器距离呈线性关系，反射槽波在遇到波阻抗界面后，被检波器滞后接收，滞后时间约为530～1080 ms，而反射槽波的存在间接证明了区域内异常的存在。

图3 第74炮共炮点道集

3.2 典型反射炮频散、频谱分析

通过本次采集到的反射槽波数据分析可知，探测区域槽波发育良好，频散特征明显[15-17]，典型反射炮(第74炮)的频散曲线如图4所示，可以看到槽波艾里相的主频为140 Hz；典型反射炮(第74炮)的频谱分析如图5所示，可以看到槽波频谱区间在115～150 Hz，主频也为140 Hz，与频散分析结果一致。另外，结合透射槽波数据及对应的偏移距关系，计算得到探测区域槽波速度为1100 m/s。

3.3 槽波反射法处理结果

2107准备工作面的槽波数据处理利用SPW软件完成，主要流程包括数据载入、观测系统添加、延时校正、道内均衡、道间平衡、滤波、动校正、包络叠加、时深转换和相移偏移[18]，追踪到反射同相轴后，结合地质资料分析构造类型。

图4 槽波频散曲线

图5 槽波频谱分析

本次槽波反射法勘探成果主要包括CBF1、CBF2和CBF3共3处异常界面，如图6所示。

(1)CBF1。该异常走向近东西，延展长度约440 m，在2107准备工作面内的延伸长度约185 m，推断为三维地震勘探成果中F7断层的漂移。

(2)CBF2。该异常走向近东西，延展长度约480 m，推断为三维地震勘探成果中F5断层的漂移。

(3)CBF3。该异常走向近东西，延展长度约245 m，与2107回风巷的已掘长度吻合程度较高，推断为空巷反应。

需要说明的是，本次探测的部分大号炮点(近切眼处)由于现场条件不具备，缺失9炮，因此，探测成果靠切眼段150 m范围的可靠程度不高，CBF1和CBF2在此区域的延伸范围未能准确查明。

图6 2107准备工作面槽波反演成果

4 2107准备工作面探采对比

为验证本次槽波反射法勘探成果的准确性，矿方分别在2107回风巷距2107工作面切眼540 m和465 m处布置1号钻场和2号钻场施工验证孔，其中，1-1号和2-1 号钻孔分别于距1号钻场和2号钻场27 m和17 m处揭露断层JNF7断层，与探测成果近乎吻合，位置偏差2～3 m；1-2号和2-2号钻孔分别于距1号钻场和2号钻场42 m和54 m处揭露断层JNF5，与探测结果近乎吻合，位置偏差3～5 m。此外，2107回风巷掘进过程中，在距离工作面切眼885 m处揭露断层JNF7，推测揭露位置偏差7 m。2107准备工作面探采对比结果如图7所示。

图7 2107准备工作面探采对比结果

综上所述，本次槽波反射法勘探效果良好，断层构造的准确探测，能有效指导矿方的采掘衔接。矿方通过在2107回风巷重新开拓巷道甩开断层，保证了2107工作面的安全回采，创造了巨大的经济效益和社会效益，另外，2107回风巷已掘巷道的准确反应，侧面证明了槽波地震反射法探测空巷的可行性，对后期地质构造的探测和解释具有一定的意义。

5 结论

(1)本次槽波反射法勘探确定了山西华晋吉宁煤业2107准备工作面的槽波速度约1100 m/s，槽波频谱区间在115～150 Hz，主频为140 Hz，可以为井田内其他区域的槽波地震勘探提供一些基础的指标和参数。

(2)2107准备工作面的槽波反射法成功探测出2条走向断层，效果良好，不但纠正了三维地震勘探成果的误差，而且有效指导了矿方的采掘衔接，保证了工作面的安全回采，创造了巨大的经济和社会效益。

(3)2107回风巷已掘巷道的准确反应侧面证明了槽波地震反射法探测空巷的可行性，对后期地质构造的探测和解释具有一定的意义。