厚煤层内小断层的反射槽波探测技术及应用

苏晓云

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿智能化已经成为煤炭行业新晋热点，智慧矿山、透明工作面等概念的提出也为各大矿业公司指出了智能化前进的方向[1-2]。回采工作面地质构造的精准探测是智能化、透明化工作面的重要前提与保障[3-4]。目前可以通过三维地震、井下槽波、井下坑透等物探方法对工作面内部地质构造进行探测，其中槽波探测具有探测精度高，受井下环境影响较小等优点，是构造探测的重要方法之一。

矿井物探定义的小断层一般指垂直断距在3 m 以下的断层，这一类断层一般小于半采高、半煤厚[5]。非智能化开采时期，可通过调整采煤机角度等方法进行人工干预，以减少小断层对工作面回采的影响。随着煤矿智能化的推进，大采高采煤机、快速掘进机等智能化设备的应用大幅提高了回采与掘进速度，小断层如果识别不清，将会对煤矿采掘效率与安全带来较大影响[6-7]。在厚煤层、巨厚煤层矿区，透射槽波探测由于其原理限制，仅能探测断距大于等于煤层厚度一半的断层，对小断层的探测效果一直不甚理想[8-9]，因此，还需要继续研究厚煤层内小断层的探测方法。

反射槽波探测原理是利用槽波在煤层中传播时遇到构造后产生的反射波来探测前方的地质构造。近年来，反射槽波在中厚煤层内探测较大断层的应用已经较为成熟，如河南理工大学的一些学者利用包络叠加法在义马矿区开展反射槽波探测断裂构造，在5 m 厚度的煤层中，成功通过反射成像探测出0～15 m 的断层[10-11]；赵朋朋等[12]在晋城赵庄煤矿5 m 左右厚度的煤层中，利用反射槽波进一步验证了透射槽波解释的断层；杨辉[13]利用反射槽波在阳泉和顺矿区探测了5.5 m厚度的煤层中断层的延伸；鲍远堂等[14]在凌志达矿4 m 厚度的煤层中利用反射槽波探测了断层、陷落柱、挠曲3 种地质异常。反射槽波对大断层的探测已经取得了一定的成果，但对小断层的探测还缺乏成功应用的案例，反射槽波能否有效探测厚煤层、巨厚煤层内小于3 m 的小断层这一问题亦一直存疑。为了探究厚煤层内能否形成小断层的反射槽波，以及最终的成像结果中能否识别到巨厚煤层内小于3 m 的小断层，本文拟通过对含小断层的厚煤层、巨厚煤层模型进行正演模拟，研究厚煤层、巨厚煤层条件下反射槽波波场特征，再选取适当的试验点，研究厚煤层、巨厚煤层内小断层的反射槽波探测效果。

1 模型建立

参考实际地质情况，设计了三层地质模型，考虑到不同倾角的断层具有不同的反映，因此，在煤层中设计了不同倾角的小断层。顶底板为20 m 厚度的砂岩；煤层厚度分别为6 m（厚煤层）、20 m（巨厚煤层）；模型中均含有一条走向断层，厚煤层中断层落差为1.5 m，巨厚煤层中断层落差为2.0 m，断层倾角为45°和90°两种。共设计了4 个模型：Model 1 为厚煤层45°小断层模型，Model 2 为厚煤层90°小断层模型；Model 3 为巨厚煤层45°小断层模型，Model 4 为巨厚煤层90°小断层模型。

参考我国常见的含煤地层岩石物理参数，设定砂岩顶底板的密度为2.26 g/cm3，纵波速度为3 800 m/s。以河东矿区和准格尔矿区煤层物理参数为例，煤层厚度不同，密度和速度略有不同，详细模型参数见表1。

正演模型如图1 所示，模型大小为1 000 m×300 m（x、y方向），两条巷道设计截面为4 m×4 m，长度1 000 m，其中一条巷道布置激发点和接收点，另一条巷道作为参照物，不布设激发点和接收点。断层位于工作面中部，长度300 m，延伸方向与巷道平行。震源及接收序列位置如图1 所示。

图1 正演模型平面示意图Fig.1 Schematic plane of the forward model

2 正演模拟

正演计算方法采用交错网格有限差分法进行正演计算[15-16]，网格大小为1 m×1 m×0.5 m，采样时间间隔为0.5 ms，时长1 s，震源位于巷道内侧帮煤层中部，采用主频为150 Hz 的雷克子波模拟[17-18]。接收道距为10 m。震源的间距为20 m，采用全排列接收方式接收。图2 是4 个模型的对应的槽波记录。

图2a 为厚煤层45°小断层模型的反射槽波记录，可以看到最上方的波列为直达槽波，能量较强。除直达槽波外，第二、第三组波列是两组反射槽波，先到达的是断层反射槽波，后到达的是巷道反射槽波，巷道的反射槽波比断层反射槽波能量更强，两组反射均呈双曲线形状。最后一组及记录右侧波列是模型边界造成的反射，与本文研究无关。正演图2b 为厚煤层90°小断层模型的反射槽波记录，相比于45°断层，直达波以及巷道反射槽波能量没有明显变化，仅断层的反射有微弱的减弱。

图2 正演模拟槽波记录Fig.2 Forward simulation in-seam wave record

图2c 为巨厚煤层45°小断层模型的反射槽波记录，可以看出，相较于图2a 中6 m 的厚煤层记录，巷道反射和断层反射连续性有明显减弱，能量也有明显减弱，但仍然能够分辨两组反射槽波，且巷道的反射槽波能量依然强于断层反射波。图2d 中，巨厚煤层90°小断层模型的巷道的反射和断层反射进一步减弱，是4 个模型中对断层反映最弱的。本次模拟采用y分量接收，因此，在炮点附近的接收道上的反射槽波存在同相轴中断现象，如图2a 中第60 至80 道。这是由于Love 型槽波的振动方向与其传播方向垂直，而炮点附近反射槽波的传播方向为垂直于巷道走向的y方向，则其振动方向为x方向，因此，y分量检波器接收到的反射槽波振幅较弱。

选择倾角45°断层频率进行频谱分析，将6 m 厚度和20 m 厚度煤层中直达槽波、巷道反射槽波、断层反射槽波的频谱进行叠加，叠加结果如图3 所示。由图3a 可以看出，6 m 厚度煤层中反射槽波能量主要集中在100～250 Hz，巷道反射槽波和断层反射槽波的归一化振幅值最大值约为0.3，是直达槽波振幅值最大值的二分之一。煤层厚度6 m，巷道高度4 m，断层落差1.5 m，由此可知，反射槽波对于规模在1/4 煤厚以上的异常构造，具有较强的探测能力。

图3b 中，20 m 厚度煤层中槽波能量频带更宽，主要集中在100～300 Hz。巷道反射槽波的归一化振幅值最大值约为0.3，与6 m 煤厚时变化不大，但断层反射槽波的归一化振幅值明显减小，最大值约为0.15。煤层厚度20 m，巷道高度4 m，断层落差2 m，由此可知，反射槽波对于规模在1/4 煤厚以下的异常构造，仍具有一定的探测能力，但显著弱于1/4 煤厚以上的异常。

图3 不同煤厚频谱分析Fig.3 Spectrum analysis diagram

由以上厚煤层和巨厚煤层中单炮记录和频谱分析的结果可知，反射槽波对断层落差或异常规模的要求较低，1/4 煤厚甚至更小落差的断层仍能产生可识别的反射槽波，因此，使用反射槽波成像方法能够获得较好的异常成像结果。

3 成像及特征分析

反射槽波的成像方法研究已经有了一定的基础，其中绕射偏移成像方法计算方法简单，相比其他方法有独特优势[19-20]，因此，本次采用绕射偏移成像方法。

图4a 为厚煤层45°小断层模型的反射槽波成像结果，在y方向300 m、x方向400～800 m 范围有一明显横向异常条带，解释为巷道反射；在y方向约150 m、x方向400～800 m 范围有一明显横向条带异常，解释为断层反射；x方向0～200 m 的纵向条带异常为模型边界效应造成的虚假异常。由图4 可知，巷道的反射界面及断层的反射界面都较清晰，成像的异常位置与模型的巷道和断层的位置也相吻合，表明反射槽波成像能够明显识别巷道和小断层。图4b 为厚煤层90°断层模型的反射槽波成像结果。巷道的反射界面与断层倾角为45°时没有变化，断层的反射界面异常稍有减弱，但依然能够明显识别巷道和断层的反射边界位置。

图4 反射槽波成像结果Fig.4 Diffraction migration imaging of the in-seam wave

图4c 与图4d 为巨厚煤层的45°小断层模型和90°断层模型的反射槽波成像结果，y方向300 m 的巷道反射异常依旧明显，仅范围稍有变化；y方向约150 m的断层反射异常明显减弱，但依然能识别。图4c 中，断层反射较弱，断层反射异常色调与背景色区分明显；图4d 中，断层反射异常色调与背景色有小部分重叠。但总体上，4 个模型的反射槽波成像结果都能识别断层的边界位置。

综合分析4 个模型的正演模拟结果及成像结果：4 个模型槽波记录中均有明显的巷道反射，无论煤层厚度是6 m，还是20 m，4 m 高度的巷道均能形成反射槽波，成像结果中也能明显地识别巷道的位置。煤层厚度6 m，断层落差1.5 m 时，在单炮记录和反射成像上，断层反射均较为明显；当煤层厚度20 m，断层落差2 m 时，在单炮记录和偏移成像上，断层反射异常存在，但较弱，能识别。断层倾角为45°，即断层与煤层斜交时，断层在反射槽波成像结果上较90°时更为明显。

当断层落差小于等于1/2 煤层厚度时，透射槽波成像几乎很难识别断层。但只要煤层中存在断层，就会形成反射槽波，利用接收到的反射槽波进行成像，就能够识别出断层的位置，且断层规模越大，成像结果越好。

4 应用实例

4.1 厚煤层探测试验

选择在山西省河东煤田某矿309 工作面回风巷进行反射槽波探测小断层试验。该工作面开采二叠系山西组（P1s）2 号煤层，煤层厚度5.7～6.8 m，平均厚度6.0 m。煤层顶底板均为中细粒砂岩。探测时检波器及激发点布置在巷道中部侧帮上，接收道间距为10 m，共布设200 道。激发震源由300 g 矿用乳化炸药激发，炮孔深度2.8 m，安装炸药后孔口用炮泥封堵，激发炮间距为20 m，共激发120 炮。地震仪选用YTZ3 型矿井防爆地震仪，采样率4 kHz。探测试验结果如图5 所示。

透射槽波探测结果（图5a）显示，工作面有较弱的异常，但无法判断构造的形态及规模。反射槽波成像（图5b）中，工作面外段有一较强的反射槽波能量异常，综合透射、反射资料，推测工作面内可能有一落差较小断层存在。最终，根据反射槽波成像结果，在工作面外段解释了一条f16 断层，落差小于等于3 m，延展长度约300 m。经矿方回采验证，在槽波解释断层位置，实际揭露了一条落差1.5～2 m 的小断层。

图5 厚煤层探测试验透射与反射槽波成像对比Fig.5 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the thick coal seam detection test

4.2 巨厚煤层探测试验

选择在内蒙古准格尔煤田某矿进行反射槽波探测小断层试验。216 工作面开采石炭系太原组6 号（含6 上）煤层，煤层厚度为18～27 m，平均20 m。煤层顶底板均为中细粒砂岩。观测系统布置情况为接收道间距为5 m，共布设120 道，激发炮间距为10 m，共激发60 炮。采集仪器为YTZ3 型矿井防爆地震仪，采样率4 kHz。探测试验结果如图6 所示。

图6 巨厚煤层探测试验透射与反射槽波成像对比Fig.6 Comparison of transmitted and reflected in-seam wave imaging in the extremely thick coal seam detection test

根据透射槽波成像结果（图6a）显示，在三维地震解释的F3 断层区域有一微弱的透射槽波能量异常，但无法判断断层的延展方向和长度。利用该断层所在巷道进行反射槽波成像（图6b），发现该断层反射槽波能量异常明显，根据反射槽波成像结果对F3 断层进行预测，解释该断层继续沿SE 走向向工作面内部延展约140 m。经矿方回采验证，在槽波解释断层位置，揭露断层延展长度与反射槽波探测结果一致，且落差最大仅3 m。

5 结 论

a.正演模拟与实际工程应用结果表明，在构造较简单的地质条件下，反射槽波能够识别厚煤层、巨厚煤层内的小断层，但煤层厚度越大，小断层的识别程度越弱。

b.与透射槽波法相比，反射槽波法在小断层的识别上优势更为明显。因此，反射槽波探测可以作为厚煤层、巨厚煤层内探测小断层的一种有效手段，为煤矿安全、高效、智能化采掘提供地质保障。

c.在构造较复杂地区，反射槽波能否探测小断层反映还需进一步研究。