槽波勘探技术在厚煤层构造探测中的应用

高国芹

(中国煤炭地质总局水文地质局第一水文地质队，河北邯郸 056004)

0 引言

随着采煤技术的发展，现今煤矿采宽超过200m的工作面越来越常见，回采前对隐伏地质构造的探查工作愈发重要[1]。准格尔煤田北部带压开采区域内断层及陷落柱发育程度较高，使得该区域防治水形势极为严峻。本文以鄂尔多斯某煤矿F6206工作面为例，对不同观测系统下槽波的观测精度问题进行探讨，为进一步提高槽波勘探的分辨率和精度奠定了基础。

1 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探技术是矿井地球物理勘探方法中较为行之有效的方法之一[2]。它具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别以及最终成果直观的优点[3]。

在地质剖面中，煤层是一个典型的低速夹层，在物理上构成一个“波导”。煤层中激发的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及邻近的岩石(简称煤槽)中，如图1所示。槽波地震勘探就是利用在煤层中激发和传播的导波，以探查煤层不连续性的一种地球物理方法[4]。

图1 槽波形成示意图Figure 1 Schematic diagram of in-seam wave formation

探的基本观测方法有两类：透射法与反射法。它们的原理都很简单。由震源在煤层中激发的槽波，沿煤槽传播。如果工作面或巷道前方煤层不连续，波导就完全或不完全阻断，槽波遇到这些阻断面时，就将产生反射或部分反射。因此，槽波不能有效地透过异常体形成正常的透射槽波，或者观测不到透射槽波。

透射法(图2)测量中，震源与检波器(排列)布置在不同的巷道内。在一条巷道内激发，在另一条巷道中接收通过采区或盘区的透射槽波。根据透射槽波的有无或强弱，来判断震源与接收排列间射线覆盖的扇形区内煤层的连续性。当断层落差大于煤厚时，煤层波导完全阻断，一般接收不到透射槽波；在落差相当于煤厚30%～70%，煤层波导部分阻断，接收到的透射槽波能量较正常情况下有不同程度的减弱，有时速度也发生变化。目前在厚1～3.5m的中厚煤层中，最大透射距离可达1 000m以上[5]。

图2 透射槽波勘探示意图Figure 2 Schematic diagram of transmitted in-seamwave prospecting

2 实例分析

2.1 工作面概况

鄂尔多斯某煤矿F6206工作面走向长度为2 160.9m，倾向长度为240.3m，工作面开采太原组6#煤层,工作面总体呈东高西低，煤层底板所承受的最大水压为0.393MPa，同时该工作面运输顺槽掘进中在322m处揭露断层，落差10m，根据出水水质化验情况，可初步判断沟通灰岩水。综上所述，该工作面存在奥陶系灰岩突水的威胁。

2.2 槽波勘探观测系统

本次槽波勘探采用透射法施工(图3)，炮点及检波点分布于运输顺槽、辅运顺槽及切眼内。目前传统的槽波勘探常采用30m炮点距，20m检波点距进行施工。本次勘探为达到研究不同炮点检波点距及单边与双边放炮对勘探效果影响的目的，我们以10m炮点距及10m检波点距的布置方式进行了高密度的数据采集工作，整个工作面槽波地震勘探共采集槽波有效数据483炮，检波点布设434道。槽波仪采用存储式无缆遥测地震仪(YTZ-3)，采样间隔0.25ms，记录长度2s，每炮炸药量为0.2kg，每个炮点激发，所有接收点均接收数据[6]。

图3 S607炮槽波能量异常区域Figure 3 S607 shot in-seam wave energy anomalous zone

后期以固定间隔抽取单数或双数、单边或双边的炮点记录进行反演解释工作，达到研究不同观测系统下槽波勘探精度的目的。

2.3 资料处理与解释

槽波数据的处理主要有对各个单炮记录进行抽道集重排，使井下记录转换成共炮点记录(CSP)、共接收点记录(CGP)，进行文头编辑、道数据编辑、二次采样、噪声剔除、频谱分析、初至识取等处理过程。本次槽波的数据处理采用2.5m×2.5m网格单元的划分[7-9]。

本次槽波的反演采用特征值反演方法。该方法是对单炮记录上槽波进行识别和能量计算，根据每道地震记录上槽波的有、无及能量大小来赋予不同的特征值。通过网格划分计算出工作面内不同网格内槽波的传播情况，从而分析工作面内构造发育的情况[10]。

根据目前主流的观测系统布置方式如单边放炮、20m炮点距采集等观测方式进行了炮点数据的抽取，并统一通过特征值反演方法得到了如图4所示，其中图4a和图4b分别为抽取辅运顺槽单巷放炮记录，抽取运输顺槽单巷放炮记录，以20m炮点距抽取两巷炮点记录以及未做抽取的炮点记录的特征值CT层析成像图[11-13]。图中横坐标为巷道内的测点编号，纵坐标为采面宽度，图中虚线所圈定的绿-白色区域代表了低特征值的槽波能量异常区域。

1)通过对比图4a与图4b中不同单巷放炮的成果图可以看出，地质异常的主体范围基本一致，但也存在较大的差异性。产生这种差异性的原因可能：一是现场巷道条件的差异性，二是不同区域覆盖次数分布的不均匀性所致。同时从该试验可以直观的看出，理论上单边加密放炮即可以取代双边放炮的检炮互换理论在实际生产中会受环境、地质条件等因素的影响形成多余的虚假异常区，其可行性有待商榷。

2)通过对比图4a、图4b及图4d中单边与双边放炮的成果图可以看出，双边放炮所得成果分辨率更高，异常区的圈定更为精准，这也得益于双边放炮所形成的高覆盖次数及双边放炮的高纠错能力。

图4 不同观测系统下的槽波勘探CT成像Figure 4 In-seam seismic prospecting CT imaging under different field setups

3)通过对比图4c及图4d中不同炮间距双边放炮的成果图可以看出，上述两种装置的异常范围较为接近，但20m炮间距所得成果分辨率明显低于10m炮间距，因此推测高密度的炮间距布置对于大采宽、煤层厚的的工作面具有较为重要的作用。

3 结语

通过对不同炮点检波点距及单边与双边放炮对勘探成果的影响程度的试验研究，可以发现：

1)理论可行的检炮互换理论在实际生产中的应用效果仍有待商榷。

2)在煤层厚度大、采宽大的工作面要取得较好的勘探效果，减小炮间距，进而增加覆盖次数是一种行之有效的方法。