槽波反射技术在厚煤层挠曲构造探测的研究与实践

杜 楠

（山西凌志达煤业有限公司 ，山西 长治 046606）

0 引 言

山西凌志达煤业有限公司位于山西省长治市长子县色头镇境内，井田面积17.7 km2，生产能力1.50 Mt/a。目前开采15 号煤层，煤层厚度5 m 左右，因地质构造因素影响，工作面回采长度差别较大，宽度一般为220 m。15 号煤层赋存稳定，但局部有陷落柱、断层。断层大小形式多样，给工作面回采带来较大的困难，造成工作面产量较低，出矸石量较多。在矿区井田范围内，还存在挠曲构造的影响，难于确定巷道开口位置等。所以，必须提高异常构造探查精度，以达到为巷道开拓及工作面回采提供地质保障的目的。

1 槽波反射法

采用槽波精细探测方法对工作面异常进行探查，其有效波信号即为槽波反射信号。如果在煤层中槽波传播时遇到煤层中的不连续体，即遇到地震波的波阻抗时，就会产生反射槽波信号，因此，识别这些反射槽波信号可以直接判定煤层中不连续体位所处位置。图1 所示为槽波反射法勘探示意图。

如图1 所示，激发点和接收点位于同一条巷道中。槽波反射方法的最大优势是可在一个煤巷的两侧对小构造进行探测，这在采矿工程中的应用价值尤为高。因此，它是槽波地震探测技术的一个重要组成部分，槽波透射和槽波反射是相互补充的，根据特定的探测情况和目的，联合作用效果最佳。

图1 槽波反射法勘探示意图

2 工程概况

2.1 15202 工作面基本情况

工程应用以15202 工作面的实际槽波数据为依托，综合本矿实际地质资料，对异常构造进行槽波精细探测技术研究。

1）褶曲。井田内共有褶曲7 条，其中S6 背斜（色头背斜）位于施工的15207 和15202 工作面之间，离工作面有一定的距离，倾角较为平缓。该背斜核部分布山西组地层，东西两翼依次分布下石盒子组和上石盒子组地层。轴向近南北，由南向北穿越本井田，由15 号煤层东翼大巷把背斜轴分为南北部，背斜轴北部两翼地层倾向西、东，两翼地层产状不对称，西翼倾角4°～13°之间，东翼倾角2°～10°之间。背斜轴南部两翼地层倾向西南、东南，两翼地层产状基本对称，两翼倾角3°～5°之间，在井田内延伸长度为3 680 m。

2）断层。15202 工作面槽波施工区域附近，实见断层9 条（落差0.3～6 m），落差较小。

3）陷落柱。15202 工作面掘进工作中，回风顺槽揭露陷落柱1 个（Q30），从Q30 处向工作面内掘探巷，探巷揭露陷落柱1 个（Q32）。

4）岩浆岩。根据井下实际揭露情况，所需施工的工作面巷道内未见岩浆岩侵入。

2.2 槽波反射技术可行性

15202 工作面煤层同其围岩的密度等物理性质存在一定程度的差异，因此其波阻抗也会相应地有一定程度的区别。在煤层同其围岩之间的交界截面上，可以形成地震波的反射面，有益于煤层当中槽波的传播，15202 工作面宽度在槽波传播范围内，能够保障槽波能量衰减在较小范围内，由此可以提高槽波的品质，达到较好的探测效果。因此，采用槽波反射技术对挠曲构造探测具有可行性。

3 槽波反射技术应用

3.1 工程布置

本次槽波数据采集选用中煤科工西安院自主研发的YTZ-3 型存储式无缆遥测地震仪，其主要参数如表1 所示：

表1 YTZ-3 型存储式无缆遥测地震仪主要参数

根据15202 工作面内构造发育情况，采用全排列探测数据采集方式，可以实现有效探测数据被最大限度地接收。检波点每10 m 布设1 个，炮点每20 m 布设1 个，沿着15202 工作面运输顺槽、东翼回风大巷和15202 工作面回风顺槽布置测线，共布设检波点165 个，炮点80 个。详细测点、炮点布设情况见表2。

表2 15202 工作面槽波探测测点布置一览表

3.2 施工方法

现场探测施工时，将检波器布置于巷道锚杆的露头位置上，并保证其与锚杆具有良好的耦合效果。炮孔与煤壁垂直打设，设计深度为2.5 m，设计装药量0.3 kg。各个激发点放炮震动，各个接收点搜集信号数据，采集数据间隔时间为0.25 ms，记录长度为2 s。全部激发点放炮施工后，对所有设备进行回收，完成井下现场探测数据采集工作。

3.3 槽波数据处理

本次槽波数据处理采用GeoCoal 槽波地震数据处理系统。首先按照工作面大小建立一个X、Y 方向分别为750、200 m 的模型，其网格尺寸5 m×5 m。各个网格表示尺寸为5 m×5 m 的煤体的平均槽波振幅数值，再通过滤波处理方式对井下采集的原始数据进行后期处理，依次得到每个激发点的槽波传播到检波点时间，也就是各条射线传播时长。最后把上述各条射线传播时长代入CT 算法迭代求解，以此得出模型当中各个网格能量分布情况。图2 所示为15202 工作面槽波CACT 成像图。

图2 15202 工作面槽波CACT 成像图

如图2 所示，蓝色等浅色区域表示槽波可穿透工作面的区域，表明工作面中该部分区域存在落差较小断层或地质构造比较简单；相反地，黄红等深色区域表示槽波不能完全穿透或难以穿透工作面的区域，表明工作面中该部分区域存在落差较大断层或陷落柱等较大地质构造。

15202 工作面采集的数据中槽波较弱，仅在回风顺槽4 号导线点至5 号导线点，运输顺槽6 号导线点至7 号导线点之间的一段区域内能够接收到槽波，其余部分数据中含槽波能量较弱，说明15202 工作面内整体较复杂，异常构造较多且规模较大。

由CACT 成像结果可以看出，已揭露的Q31 陷落柱以南至Q35 陷落柱之间，工作面的槽波穿透性较好，此段区域内无明显异常构造；Q31 陷落柱以北至东翼回风大巷，整体上槽波穿透性较差，槽波衰减严重，说明此段区域内异常构造发育，存在陷落柱和多条断层。

15202 工作面CACT 成像结果中存在3 个强异常区和3 个异常条带，3 个强异常区分别对应已揭露的2 个陷落柱Q32、Q31，和1 个新发现的陷落柱CX1；3 个异常条带对应 3 个新发现断层 CF3、CF4 和CF5。现将陷落柱与断层进行分述如下：

CX1 陷落柱：长轴70 m，短轴约60m，位于15202运输顺槽2 号与3 号导线点之间，距15202 运输顺槽约5 m，距东翼回风大巷约160 m。该陷落柱尚未揭露，在CACT 成像中反映比较明显，为疑似陷落柱。

Q31 陷落柱：长轴约55 m，短轴约45 m。该陷落柱在15202 运输顺槽内有部分揭露，在CACT 成像中反映明显。

Q32 陷落柱：由于该陷落柱位于测线边缘，且成像结果受探巷的影响，无法查明陷落柱大小，但由CACT 成像结果可以看出，Q32 陷落柱在探测区内的面积小于原有推测，工作面在Q32 与Q31 陷落柱之间的一段区域内不存在明显的异常构造。

CF3 断层：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距离东翼回风大巷约70 m，工作面内延伸长度约60 m。该断层在工作面内尖灭，在CACT 成像中有所反映，为可靠断层。

CF4 断层：走向NNE，落差大于1/2 煤厚，距离东翼回风大巷约200 m，工作面内延伸长度约150 m。该断层向北交于CX1 陷落柱，向南尖灭，在CACT 成像中反映明显，为可靠断层。

CF5 断层：走向NNW，落差大于1/2 煤厚，距离东翼回风大巷约350 m，工作面内延伸长度约110 m。该断层向南交于Q31 陷落柱，向南尖灭，在CACT 成像中反映明显，为可靠断层。

4 结 语

通过对山西凌志达煤业有限公司15202 工作面槽波精细探测技术的研究，查明了探测区域内构造的位置，为井巷工程避开不利构造提供了依据，提高采掘布置方案的科学合理性，降低了巷道开拓成本，释放更多的煤炭储量，提高了开采效率。并且还可以减少安全隐患，提高安全生产系数，可以推广到其他工作面的地质构造探测工作当中。