槽波地震探测在峰峰矿区的实践与应用

高飞

（河北煤炭科学研究院有限公司 河北省矿井物探工程研究中心，河北 邢台 054000）

1 概 况

峰峰矿区位于河北省南部，太行山东麓。地处晋、冀、豫三省交界地带，西临太行山脉，东临冀南平原，北临洺水，南临漳河，是我国重要的原煤生产基地。

峰峰矿区西侧为山间盆地，东侧是倾斜平原，最高海拔891 m，矿区内矿产资源丰富，其中原煤储量尤为突出。矿区构造形态多为单斜及倾伏褶曲，以断裂构造为主，断层相当发育，该区由于构造运动的作用导致区域主要构造呈北东—北北东向断裂构造发育。

井田内开拓、掘进、工作面回采期间揭露小构造纵横交错，是影响工作面布置的主要因素。因此在工作面布置及回采前有必要提前查清内部隐伏构造，为工作面的布置及回采措施的制定提供可靠依据。

此次任务用槽波地震探测技术查明工作面构造复杂区域内地质构造的分布情况。

2 方法介绍

煤矿井下槽波地震探测技术具有完整的理论基础，因其在实践生产应用中的突出技术优势，槽波地震曾经是“七·五”煤炭部重点攻关课题之一，煤炭部也曾一度把槽波地震探测列为20 个重点推广技术之一，并将其写入综采技术手册。

槽波在煤层中激发，通过煤层传播、衰减和反射，并在同一煤层中被接收。由于煤的密度和弹性波传播速度一般小于煤层顶、底板的速度，所以在煤层内激发的槽波大部分能量不能向煤层外部传播，总是在煤层顶板和底板之间反射和叠加，从而形成了槽波。

槽波地震探测方法一般分为透射法和反射法2 种。

2.1 槽波透射法

目前透射法是槽波地震探测中基本的探测方法。透射法探测时，激发点布置在工作面的一条巷道内，采集站布置在工作面的另一条巷道和切眼，如图1~图2 所示。

图1 透射法探测原理平面示意Fig.1 Plane schematic diagram of detection principle section by transmission method

图2 透射法探测原理剖面示意Fig.2 Schematic diagram of detection principle section by transmission method

透射法主要用于探测工作面内的地质构造异常，其最大探测距离约为煤层厚度的300 倍。

2.2 槽波反射法

激发点和检波器点布置在同一条巷道内，激发震源后接收来自本煤层的反射槽波。通过识别分析这些反射槽波信号，就能分析出煤层内地质构造的分布情况，如图3~图4 所示。

图3 反射法探测原理平面示意Fig.3 Plane schematic diagram of reflection detection principle

图4 反射法探测原理剖面示意Fig. 4 The schematic diagram of detection principle section by reflection method

反射法主要用于探测煤层内的各种大、小断层，侵入体和岩墙等能形成反射体的地质构造异常，其最大探测距离约为煤层厚度的100 倍。

3 槽波地震探测应用实例

3.1 辛安矿112165 运料巷槽波地震反射

112165 运料巷掘进过程中遇到多条断层，其中f1 断层落差15 m 左右，f2 断层落差5 m 左右，巷道迎头刚揭露1 条断层，另外巷道下帮有1 条边界大断层，落差180 m 左右，该区域地质条件复杂。

此次槽波地震的目的是探明运料巷下帮一定范围内落差≥1/2 煤厚的断层的分布情况，为下一条巷道的设计与布置提供地质资料。

依据探测目的，本次槽波地震探测沿112165运料巷布设激发点及检波器点，分3 段进行探测。

（1） 外段下帮。测线长690 m，布置激发点22 个，间距30 m，检波器点22 个，间距30 m。

（2） 里段上帮。测线长180 m，布置激发点9个，间距20 m，检波器点10 个，间距20 m。

（3） 里段下帮。测线长180 m，布置激发点9个，间距20 m，检波器点10 个，间距20 m。

此次槽波地震探测测线长1 050 m。

通过对此次112165 工作面槽波地震实测数据进行处理，得到槽波振幅能量衰减成像图，如图5~图7 所示。图中横坐标为巷道相对位置，纵坐标为探测距离，等值线为能量衰减系数，用不同颜色表示，浅色表示能量衰减厉害，煤层连续性变差，即断层反射面位置，深色表示能量衰减较弱，煤层相对稳定区域。

3.1.1 外段下帮

图5 为112165 运煤巷外段下帮（690 m） 槽波能量成像图，从图中可以看出巷道揭露的f1 断层反映明显，边界断层f38 受f1 断层遮挡，反映不太明显，另外巷道边眼附近存在一处地质异常区，分析为216 运煤下山揭露断层向工作面的延伸。3.1.2 里段上帮

图5 112165 运煤巷外段下帮槽波能量成像图Fig.5 Energy imaging map of lower trough wave in outer section of 112165coal roadway

图6 为112165 运煤巷里段上帮槽波能量成像图，从图中可以看出巷道揭露的f1 断层反映明显。

图6 112165 运煤巷里段上帮槽波能量成像图Fig 6 Energy imaging map of upper trough wave in middle section of 112165coal roadway

3.1.3 里段下帮

图7 为112165 运煤巷里段下帮槽波能量成像图，从图中可以看出边界f38 断层反映明显，另外，f38 断层与巷道之间还存在1 处地质异常区，断层面反映不太明显。

图7 112165 运煤巷里段下帮槽波能量成像图Fig 7 Energy imaging map of trough wave in the middle section of 112165 coal roadway

3.1.4 综合分析

图8 为此次槽波地震探测综合成果图，探测范围内圈定4 处地质异常区，其中1 号为112165 运煤巷巷道揭露断层f1 的延伸，断层在巷道两帮的反射面都比较明显；2 号为巷道迎头揭露断层的延伸，该断层反射面不太明显；3 号为边界f38 断层的延伸，该断层在里段反射面明显，外段受f1 断层影响反映不明显，4 号为216 运煤下山揭露断层的延伸。

图8 槽波地震探测综合成果图Fig.8 The comprehensive result map of trough seismic exploration

经后期回采验证，1 号、2 号、3 号断层位置与实际揭露基本相符。

3.2 梧桐庄矿八采南部胶带巷槽波地震反射

此次井下槽波地震探测工作地点为梧桐庄矿八采南部胶带巷，探测长度为260 m，巷道底板标高为-590—-394.8 m，掘进层位为2 号煤，平均煤厚为3.3 m，八采南部胶带巷槽波探测区示意如图9所示。

图9 八采南部胶带巷槽波探测区示意Fig.9 Schematic diagram of trough wave detection area of belt roadway in southern eighthmining area

探测的主要目的为查明胶带巷掘进方向左侧一定范围落差≥2/3 煤厚的断层和长轴大于20 m 的陷落柱的分布情况。

探测设计激发点20 个（S1~S20），激发点距10 m；S1 位于八采南部胶带巷导向点J21 前35 m；设计检波点25 个（G1 ~G25），道间距10 m；G1位于导向点J21 前30 m。

现场测量有效激发点20 炮，药量200 g/ 炮，同一段瞬发雷管，有效检波点25 个。

图10 为八采南部胶带巷槽波地震探测CT 成果图，图中等值线为煤层内槽波速度等值线。

图10 八采南部胶带巷槽波地震探测CT 成果图Fig.10 CT result map of trough wave seismic detection in belt roadway in southern eighthmining area

由图10 可知，此次探测探测范围内槽波速度比较稳定。探测范围内激发点的有效检波点都没有观测到明显的槽波信号，这说明在探测范围内不存在大的地质构造。

3.3 羊东矿8267 工作面槽波地震透射

8267 工作面位于-850 水平五一区。东部、南部以大煤隔离开采防水煤柱为界，西部以8269 溜子道及X13-8465-1 陷落柱为界，北部以五二采区三条上山保护煤柱为界（图11）。平均可采走向长度1 007 m，倾斜长度149 m，面积150 043 m2。埋深-628—-678 m，煤层厚度约5.5 m，煤层倾角约10°。

图11 8267 工作面采掘工程平面示意Fig.11 8267 working face mining engineering plane diagram

采用槽波地震探测技术，查明8267 工作面内部影响程度大于1/2 煤厚的地质构造的分布情况。如图12 所示。

图12 观测系统示意Fig.12 Schematic diagram of observation system

槽波地震探测沿8267 工作面溜子道里帮布设炮孔（S 点），炮间距20 m，共计38 炮；沿运料巷里帮布设检波孔（G 点），道间距20 m，共计38个检波点，槽波地震探测测线总长770 m。

现场测量单孔激发药量150g/炮，采样间隔为0.25 ms，采样长度1 024 ms，单孔依次激发。

此次槽波解释以槽波水平叠加为依据，结合巷道内已经揭露的地质情况，绘制8267 工作面槽波地震探测CT 成像图，如图13 所示。

图13 8267 工作面槽波能量CT 成像示意Fig.13 8267 working face groove wave energy CT imaging schematic diagram

槽波能量CT 成像与实际揭露地质情况对比，如图14 所示，深色区域地震波能量吸收衰减值较大，为地质构造发育区域。

探测范围内发现4 处地质构造异常区。

4 结 语

地质构造是影响煤矿工作面回采的主要因素之一。无线电波透视是一种在煤矿被广泛认可的可靠的物探手段，也是应用最为广泛的地质探测手段，随着大型工作面在煤矿被越来越多的设计和布置，无线电波透视由于受生产及客观条件的限制，探测精度往往不尽人意，甚至不能达到探测目的。

图14 槽波能量CT 成像与实际揭露地质情况对比图Figs.14 Comparison of groove wave energy CT imaging and actual geological conditions revealed

槽波地震探测技术近年来日趋成熟，已成为探测小断层、陷落柱等地质异常体精度最高的技术。在煤矿实际生产中，槽波地震技术的应用为煤矿地质异常探测提供了更多的探测手段和技术方法，同时对煤矿的安全生产也具有重要的意义。