透射槽波在油页岩中探测断层的应用

马彦龙

(中煤科工集团 西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)

甘肃某矿油页岩形成于中生代侏罗纪中侏罗世，遇到的主要地质问题为断层，结合揭露情况，为确保矿井的安全开采，需进一步确定工作面内断层的发育位置及延伸长度。槽波地震方法作为矿井物探方法之一，是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层地质异常体的一种地球物理方法，也是地震勘探的一个重要分支。经过近几年的发展，槽波地震勘探可以探查断距小于5 m的断层，长轴直径大于15 m的陷落柱、煤层分叉与变薄带、采空区及废弃巷道等地质异常体，槽波在煤层中激发后，形成的地震波传播距离远、分辨率高、波形易于识别、地质信息丰富、受外界因素干扰小。其中，槽波透射法是目前最有效的探测断层等地质异常体的方法之一。

1 探测原理

槽波透射法是在工作面的两条巷道或切眼布置震源和接收点，即震源透过煤层传至接收点的槽波信号进行勘探。炮点与检波点(接收点)布置在采区周围不同巷道内，根据检波点接收槽波的缺失、强弱及速度变化来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常(图1). 同时，还可以通过对较好透射槽波记录的分析，为反射法数据处理及解释提供速度参数等，一般探测范围可达煤厚的200倍左右。在煤层较厚工作面，实际探测距离可以达到2 000 m左右，透射法是槽波最重要、应用最广泛的方法。

图1 槽波透射法勘探示意图

该次油页岩探测断层就是应用槽波地震透射探测法，在油页岩层布置激发点与接收点。利用透射槽波的传播特征来探测工作面的构造情况。具体表现为CT成像技术，它根据物体横断面的一系列投影数据，通过计算机处理之后，得到物体横断面的图像，从而确定地质异常体的位置及形态。所以，它是一种由数据到图像的重建技术。槽波地震CT(层析成像)根据接受到的地震波信息，进行波场运动学和动力学分析，来获得沿射线路径上介质物性信息。

2 应用实例

2.1 工作面概况

某矿16114工作面位于六采区东南部，西侧为16113工作面，现已采空，东部未开拓，北接施工联络巷与总回风巷。工作面走向612 m，倾向为47 m.

工作面油页岩层属于油A层，总体呈向斜构造，厚度2.0～5.0 m，北部为油页岩变薄带，平均厚度3.42 m，结构简单，一般不含矸石。油页岩，颜色呈深灰黑色，条痕褐色，层面暗淡而无光泽，属暗淡型煤。进风巷在掘进过程中共揭露了4条正断层，1条逆断层，由于断层F114-1的影响,大巷导线点4Ⅰ-5至回风巷进去70 m左右为岩巷，导线点4Ⅰ-27至4Ⅰ-33,80 m左右距离也为岩巷；回风巷揭露1条正断层，落差为1.0 m，到回风巷口112 m范围也均为岩巷，这对槽波的激发与接收将产生不利的影响。

2.2 观测系统设计

沿工作面进风巷、回风巷布置炮点和检波器，道距为10 m，炮距为20 m，全排列接收(图2). 根据巷道内部揭露情况和煤层的展布趋势，在施工中要求检波器与巷道侧帮锚杆耦合良好，并尽量保证检波器与炮点布设在油页岩中部，炮孔深3 m，方向垂直于油页岩帮，透射槽波激发药量200 g.

图2 槽波探测工程布置图

2.3 数据处理分析

以16114工作面S27炮点为例进行初步分析，S27单炮记录中3组波显示，最先到达的是来自沿顶底板传播的折射纵波，随后是折射横波，槽波的速度最慢，且是体波(回转波、绕射波等)干涉后到达的能量团(图3).

图3 S27滤波前数据图

由于折射纵波和横波反应较强，实际采集数据中又包含较高的噪声，为了减弱折射纵波、折射横波对槽波整体的影响，提高槽波的信噪比，对该工作面采集的槽波数据进行了带限滤波，见图4. 由图4看到滤波处理后槽波能量增强，波形特征明显。利用滤波后的数据可以进行透射CT成像等处理作业。

图4 S27滤波后数据图

2.4 频散分析

频散是槽波的一大特性，即槽波的速度随频率的改变而变化。通过对原始槽波数据波场分析，油页岩厚3.5 m的埃里相在180 Hz左右，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近(图5)，槽波速度约为1 300 m/s.

图5 槽波频散特征图

2.5 槽波成像解释

按照16114工作面大小建立一个X方向620 m，Y方向46 m的模型，网格大小为2 m×2 m，即X方向310个，Y方向23个点，每个点代表一个2 m×2 m煤层的平均槽波振幅，然后对采集到的数据进行滤波，按照透射槽波衰减系数成像建立网格模型，通过槽波能量成像算法，最终得到此模型上每个网格点的能量分布，将所有网格点能量进行合并，即得到工作面的能量分布情况，其成像结果见图6. 槽波能量较弱区表示煤层受地质异常构造影响，该区域工作面内部构造相对复杂；槽波能量较强区表示煤层槽波传播正常，该区域工作面内部无构造或构造相对简单。

图6 槽波能量成像图

工作面内解释了2条断层(Cf1、Cf2)，断距大于1/2油页岩厚度，确定了断层的走向及延伸长度，未发现其它地质异常，经回采验证，探测效果良好。

3 结 论

1) 在含油页岩地层中，与围岩相比油页岩具有速度较低、密度较小的特点。油页岩上下界面是一个较强的波阻抗分界面，并形成了以油页岩为中心的低速波导层，这样有利于槽波的形成。

2) 实例表明，油页岩与煤层物理性质相似，可以统称为油性煤层，槽波也比较发育，透射槽波探测技术能够有效解决油页岩层大于1/2煤厚的断层。