基于地震槽波的致灾地质因素探测技术

金明方，张高青，徐 锟，姚小帅，赵红利

（1.贵州能发高山矿业有限公司，贵州 毕节551700；2.河南能源化工集团研究总院有限公司,河南 郑州450000）

目前我国煤炭生产逐步向纵深发展，煤层埋藏深度越来越大，地质条件越来越复杂，导致瓦斯异常涌出、煤与瓦斯突出、突水和冲击地压事故频发[1-3]。其中煤层厚度变化和断层对瓦斯及突水灾害的控制作用较为明显。新安煤田属于三软煤层，煤质松软、透气性差、煤厚变化大，所属矿井面临严重的瓦斯和突水危险，对其致灾地质因素的准确探查成为灾害治理的关键[4-6]。相较于其他物探手段，地震槽波勘探技术对煤层厚度和断层的探测独具优势[7-9]，为此，通过义煤公司义安矿业二111061 工作面地震槽波勘探，对该工作面煤层厚度和构造情况进行了探查，为瓦斯和水害治理提供了依据。

1 工作面概况

义安矿业隶属于河南能源化工集团义煤公司，是该公司主力生产矿井之一，系煤与瓦斯突出矿井。井田处于新安煤田深部，位于新安向斜的一翼，属于单斜构造，煤层平均倾角6°，倾向135°，一水平平均埋深超过600 m。义安矿业比邻新安煤矿、孟津煤矿和新义煤矿，矿井核定生产能力为120 万t/a，主采煤层为二叠系下统山西组二1 煤。义安矿业11061回采工作面为走向长壁回采工作面，走向长度450 m、倾向长度135 m，煤厚0.3～8.5 m，平均4.45 m。11061 工作面二1 煤层为粉末状，不含夹矸，结构简单。工作面伪顶为炭质泥岩，局部发育；直接顶板砂质泥岩，厚度约4.4 m；基本顶为中粒砂岩，即大占砂岩，厚度约为15 m。二1 煤层的直接底为粉-细砂岩夹薄层泥岩，厚度约为7 m，基本底为L7 灰岩。

2 致灾地质因素

1）煤层厚度变化致灾因素。新安煤田受到新安向斜构造运动的影响产生大规模的层间滑动，煤层由于顶、底板顺层剪切滑动作用造成煤层厚度发生较大变化，整体煤层厚度变化不具有规律性。由于新安煤田为三软煤层，二1 煤层和其顶底板的软岩组合在构造运动的影响下，形成大量层间小褶皱，塑性流变导致煤层厚度在局部变化更加复杂和剧烈，工作面内部煤层变化较大，且极为频繁；巨大的顺层剪切应力对二 1 煤层和煤层顶底板造成了剧烈破坏，导致新安煤田形成了全层构造煤[10-11]。煤厚变化导致局部应力变化示意图如图1。煤层为塑性软岩，本身对瓦斯具有封闭和吸纳作用，煤层厚度对瓦斯含量具有明显的控制作用；而煤层厚度变化会导致局部应力发生明显变化，叠加构造煤影响，致使新安煤田局部地区极易发生瓦斯异常涌出和煤与瓦斯突出事故。而义安矿业位于新安煤田深部，因此所受瓦斯灾害更为严重。

图1 煤厚变化导致局部应力变化示意图Fig.1 Schematic diagram of local stress change caused by coal thickness change

2）断层致灾因素。断层破坏了煤岩层的完整性，导致煤层和顶底板破碎，若存在大型断层可沟通奥灰承压含水层，易发生承压水导升现象。对于义安矿业三软煤层，断层较为发育，且断层形式往往是顶断底不断或底断顶不断，造成煤层厚度发生剧烈变化；断层改变了区域应力情况，特别是在尖灭端，易造成应力集中现象。因此，针对义安矿业具体情况，断层是导致顶底板事故、水害事故和瓦斯灾害的重要因素之一。

3 11060 工作面地震槽波勘探

3.1 地震槽波频散特征

地震槽波是一种特殊的地震波，仅在煤层中激发和传播，地震波中的水平极化S 波相互干涉形成勒夫波，水平极化S 波和P 波相互干涉形成瑞利波，两者统称为槽波[12]。目前利用最为广泛的是勒夫型槽波。槽波因只在煤层中传播，具有传播距离远、携带信息丰富、抗干扰能力强和频散特征明显等优点[12-13]。地震槽波的频散特征导致其传播速度受到频率和煤层厚度的影响，Love 型槽波频散曲线图如图2。因此可利用此特性，对槽波进行傅里叶变换，在频率域中选择合适的频率，通过波速提取并与煤层厚度拟合而对煤层厚度进行探测[14-15]。

图2 Love 型槽波频散曲线图Fig.2 Dispersion curves of Love groove wave

3.2 设计施工和数据采集

采用透射法对11061 工作面进行探测，在11061 运输巷上帮设计检波孔22 个，间距20 m；在轨道巷下帮设计炮孔36 个，间距10 m，11061 工作面地震槽波勘探设计图如图3。震源激发采用一段雷管和矿用乳化炸药，单孔药量为200 g。共采集有效激发点34 个，检波点22 个。

图3 11061 工作面地震槽波勘探设计图Fig.3 Seismic trough wave exploration design drawing of 11061 working face

3.3 成果解译

共采集槽波数据748 个，经过辨识和分析，共提取有效槽波数据696 道。根据理论频散曲线的分析，该工作面煤层厚度情况下选择125 Hz 频率提取数据，并对其进行CT 成像[16]，获得槽波波速图；将槽波波速豫巷道实际揭露煤厚情况进行拟合，确定波速超过1 900 m/s 区域煤厚大于3 m，波速在1 300 ～1 900 m/s 区域煤厚在3～5 m，波速小于1 300 m/s区域煤厚大于5 m。通过对有效槽波分布情况进行分析，探测区域内没有出现较大空白带，判断工作面内部不存在大于1/2 煤厚的断层。11061 工作面地震槽波波速图和煤厚拟合图如图4。

图4 11061 工作面地震槽波波速图和煤厚拟合图Fig.4 Wave velocity map and coal thickness fitting map of seismic trough in working face 11061

4 回采验证及应用效果

目前该工作面已经回采结束，通过对回采煤厚数据的采集，绘制了煤层厚度分布图，与探测结果较为一致，11061 工作面地震槽波勘探成果与实际煤厚对比图如图5。工作面回采过程中最大断层落差为2.2 m，未大于1/2 煤厚，与探测结果一致。

图5 11061 工作面地震槽波勘探成果与实际煤厚对比图Fig.5 Comparison of seismic trough wave exploration results and actual coal thickness in working face 11061

在回采过程中，矿方根据勘探结果编制了月生产计划，并以此为依据控制回采速度，保证了矿井煤炭生产的稳定。根据煤层厚度分布情况，针对厚煤区采取了加密本煤层瓦斯抽放措施，在回采过程中未发生较大的瓦斯异常涌出事故。

5 结 语

新安煤田受到严重的瓦斯和水害影响，煤层厚度变化和断层是其主要致灾地质因素。通过对11061 工作面地震槽波勘探可知，该技术可以有效地对煤层厚度和断层进行探查，矿方可以此为依据编制生产计划并对重点区域采取相应的差异化局部瓦斯治理措施，确保矿井安全高效生产。