透射法槽波地震勘探在煤矿小构造探测中的应用

朱金华

（山东省煤田地质局物探测量队，济南250104）

1 引言

煤矿开采中经常要面对小型地质构造引发的威胁，这就要求企业做好地质构造勘察工作，充分了解煤矿所处区域的地质构造，采取有效防范和应对措施降低事故风险。将槽波地震勘探中的透射法应用到煤矿小构造探测中，能保证探测的全面性和有效性，使煤矿工作人员可以更好地应对小构造可能会带来的影响，保障煤矿开采安全。

2 煤矿小构造的危害

煤矿开采中的小构造包括小型断层、小型褶皱、小型陷落柱等，体积虽然很小，但对煤矿开采活动的影响不容忽视，主要表现在以下方面：（1）可能引发倒架。煤矿开采中，没有被及时发现的小构造会在局部应力和压力的共同作用下引发顶板变形或破碎问题，若压力超出一定数值，可能导致支架部分悬空，引发局部坍塌或倒架事故。（2）可能引发爆炸。小构造中也许积聚了大量瓦斯气体，在采掘期间，若产生局部冒顶情况，瓦斯会在压力突变时引发爆炸，造成巨大经济损失和人员伤亡。（3）可能造成冒顶。个别小型地质构造的隐蔽性较强，在作业期间若煤层顶板出现大量裂缝或者矸石脱落情况，表明可能出现顶板冒落问题[1]。

3 槽波地震勘探的原理和方法

槽波地震勘探是地震勘探中的一个重要分支，槽波也被称为煤层波或导波，会在煤层中激发、传播、反射和衰减，并且被同一个煤层接收（见图1）。考虑到煤的密度通常小于顶板和底板密度，弹性波在煤层中传播的速度通常为顶板和底板的50%以下，在这种情况下，煤层中的弹性波一般无法传到煤层外，而是在煤层顶板与底板之间形成反射与混响，继而产生特殊的弹性地震波，也就是槽波。槽波地震勘探的一个重要前提，是煤层必须具备槽导性[2]。

槽波地震勘探的方法有2 种：

1）反射法。炮点和检波器布设在同一个巷道内，接收反射槽波信号，震源激发的槽波会沿着煤层向远处传播，在遭遇波阻抗分界面时，产生相应的反射槽波信号，借助设置在巷道壁的检波器，能够对这些信号进行收集，在对信号进行识别和分析后，可以较为准确地判断煤层中不连续体所处的位置。反射法通常用于煤层内部断层、逆断层、侵入体和岩墙等的探测，探测的距离约为煤层厚度的100 倍。

2）透射法。炮点和检波器布设在不同的2 个巷道内，依照接收到的透射槽波的大小以及动力学参数，探测炮点和检测点之间是否有构造的存在。透射法能够对煤层地质构造以及内部异常进行探测，如煤层厚度变化、煤矸石分布、断层分布等，在一些特殊情况下，还可以反映煤层内部压力的变化，探测距离约为煤层厚度的300 倍[3]。

4 透射法在煤矿小构造探测中的应用

4.1 煤矿工作面概况

某煤矿综采工作面长度为582m，煤层厚度为6.23m，呈条带状分布，煤芯完整。工作面本身的走向长，局部煤层的厚度存在较大的变化，在回采的过程中，部分煤层位于承压水标高以下，工作面切眼则处于承压水区域，复杂的冲水因素使工作面必须带压开采，开采难度较大。结合已经开采区域地质资料，判断在工作面中，可能有小型隐藏地质构造存在。

4.2 槽波地震勘探设计

为了对工作面地质构造进行明确，在工作面外部480m 的位置，实施槽波地震勘探，选择透射法，在工作面上巷道共设置炮点31 个，相邻炮点间距为20m，下巷道设置检波点29个，相邻检波点间距同样为20m，设置双分量水平检波器来对槽波进行接收[4]。

4.3 槽波数据分析

从工作面中选择具备典型性的单炮记录，分析槽波特征，发现其能量强，速度和频率低，对所有单炮记录进行分析，可以明确，每个单炮记录都能够接收槽波，但是所处区域不同，槽波的透射能量也存在一定差别。就工作面内所有的典型槽波记录频散分析结果进行综合，可以看出，区域内槽波具备十分明显的频散特征，群速度曲线完整且连续，槽波埃里相频率集中在约80Hz，速度约为850m/s[5]。

4.4 槽波数据处理

在对槽波数据进行处理过程中，为了保证处理效果，使用了美国SPW 地震数据处理软件，具体的处理流程为：数据格式转换→安装道头字→静校正→极性翻转→废道删除→滤波→自动增益控制→早晚弱音→频散分析→拾取旅行时→速度层析成像。槽波本身属于频散波，其群速度与相速度都会随着频率发生改变，借助频散分析，能够从实际测量得到的槽波记录中提取群速度与相速度随频率变化的曲线。槽波速度会受到煤层厚度的影响，煤层厚度越大，槽波速度越低，主频也会向着低频的方向偏移。槽波频散变化最为陡峭的部分，煤层厚度变化引发的槽波速度变化最大，探测精度也最高，基于此，在实施速度成像的过程中，选择的频率应处于槽波速度变化最陡的部分。在针对各个炮点获取的槽波数据进行频散分析后，可以得到选定频率下的槽波速度，对其进行层析成像，能够得到准确完整的波速CT 成像图，将煤层厚度变化以及煤矿小构造反映出来，这也是透射法槽波地震勘探获取地质信息的重要依据[6,7]。

依照相应的波速分布图（见图2），得到完整煤层的波速在850m/s，个别区域的波速超过了煤层波速，表明可能存在异常。

在对照煤矿开采中已经揭露的地质资料的情况下，可以得到如下推测：

图2 波速分布图

1）异常1 和异常2 是煤柱引发的压力增高区域，在较高的压力下，煤层压实度更高，波速也随之增高。

2）异常3 和异常4 属于煤层破碎带或者瓦斯富集区域，其同样会导致波速增高。

3）异常5 属于煤层内陷落柱，因为被顶板岩石填充，在波速值上要高于煤层，这也是其表现为高速区域的主要原因。

5 结论

结合上述分析可知：

1）借助槽波地震勘探方式来对煤矿工作面小构造进行探测，能得到准确探测结果，可以帮助煤矿技术人员实现对未知区域的预先探测，效果十分明显。

2）槽波地震勘探中，炮点与检波点的位置并不固定，可以根据工作面的实际情况进行灵活调整，以实现对工作面内部地质信息的超前探测。

3）相比其他勘探方法，槽波地震勘探有非常明显的优势，不仅分辨率更高，探测距离更远，而且还能实现对煤层不连续性的准确探明，帮助工作人员及时发现小型地质构造，获取准确的工作面地质信息，为后续开采作业提供完善的数据信息支持，确保煤矿开采工作顺利实施。