反射法槽波地震勘探技术在工作面探测中的应用

2019-03-20李荣

陕西煤炭 2019年2期

李荣

(阳泉煤业集团沙钢矿业投资有限公司，山西临汾 043500)

0 引言

华泓公司是由张家沟公司、华泓公司两家煤矿公司整合而成的一个矿井，矿井剩余可采储量为1 210万t，目前9311回风巷已经掘进完毕，计划在其东部布置9309工作面。根据地面三维地震资料在设计工作面存在延展较长的断层，导致9309工作面的设计布置存在未知的地质构造隐患。为此决定进行井下槽波地震勘探工作，以查明9311回风巷东部的地质构造位置、延展等。

1 地质及水文地质概况

1.1 井田地层及可采煤层

华泓井田位于山西省沁水煤田晋城矿区西南部。根据地表出露、钻孔勘探及井下揭露，井田地层由老到新发育有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组，第四系中、上更新统及全新统。

矿井可采煤层为2#和9#+10#煤层，采区布置分煤层布置，目前主要开采9#+10#煤层，开采位置位于三采区北翼9315、9311工作面。

1.2 三采区北翼地质概况

三采区北翼井下西为落差0～4.5 m的F3断层，南临侯陵高速公路的保护煤柱，东临东沟煤业的矿界，北至本矿矿界。本区域2#煤层不可采，9#+10#煤层老顶为K2石灰岩，厚度7.5 m；直接底为砂质泥岩，厚度1.2 m；老底为细砂岩，厚度3 m。本区总体上呈现一个走向NW、倾向NE的单斜形态，在该采区中部发育有南部走向NW的向斜，两翼倾角在2°～3°之间。根据三维地震显示及实际揭露，本采区工作面内揭露落差大于5 m且控制可靠的断层15条，对掘进和回采有较大影响(由于三维地震对落差小于5 m的断层判断可靠性较差)，其余均为小型正断层，落差小于5 m。

1.3 9311东侧构造情况及9309工作面设计情况

9311工作面的东侧设计9309工作面，根据地面三维地震成果资料显示，9311工作面东侧有F8、3DF13两条断层，9309工作面倾向原设计1 848 m，9309的回风巷以F8断层为边界，方向与F8断层走向大致相同，9309进风巷分为两段设计，前一段与9311工作面的煤柱距离为50 m，以摆脱3DF13断层对回采的影响，设计长度为1 008 m，后一段与9311工作面的煤柱距离为20 m，设计长度为840 m。

1.4 9309工作面两顺槽在掘进中的问题

9309回风巷在掘进至1 105 m时揭露一断层，初步确定断距大于20 m，继续推进57 m后往西偏移30 m施工9309回风探巷，9309回风探巷掘至80 m处揭露一断层，断距也大于20 m，推测与第1次揭露的断层为同一断层，临时决定将原9309切巷位置调整到距开口1 100 m处(图2中第2次设计切巷位置)，同时在9311回风巷向9309工作面发现施工探构造钻孔，间距为30 m，通过分析钻孔资料，距9311回风巷70 m范围内均无构造。鉴于此，在9311回风巷后700 m向9309工作面方向进行反射法槽波地震勘探，查明9309回风巷两次揭露断层的发育情况，解放呆滞资源，延长工作面，提高矿井回采率。

2 反射法槽波地震勘探方案

槽波是一种频散波，它是在一定的围岩、煤层物性组合下产生的[1]。在煤系中，煤层与围岩相比具有速度低、密度小的特点。9#+10#煤层的顶板为石灰岩、泥岩，底板为泥岩、铝质泥岩，煤层的速度、密度与上下围岩有较大的物性差异，在地质剖面中，顶底板岩层上下界面构成了高波阻抗界面，煤层是一个典型的低速夹层，因此在物理上构成一个“波导”，具备开展槽波勘探的前提条件。

2.1 勘探工程地质任务

为了查明勘探区断距大于1/2煤厚的断层位置、走向及延展长度和其他地质异常体，指导9309工作面的设计。

本次透射探测范围为9311回风巷东部，测线沿9311回风巷布设，其回风巷探测长度为700 m。

2.2 野外数据采集方法

本次勘探采用YZD11矿用网络地震仪，该仪器具有分布式超多道，多分量组合，主被动一体化等特点，其地震勘探系统。

系统包括

主机 YZD11-Z矿用本安型槽波地震与电法仪主机；

基站 YZD-11C矿用本安型槽波地震与电法采集站；

GZC150矿用本安型拾震传感器；

GZD-3矿用本安型三分量震动传感器。

系统的参数如下

通道数：16×n通道(支持可扩展)。

采样频率：0.5～50 kHz(2～0.02 ms)。

采样点数：1K-无限长度，实时采样，默认经验采样长度参数。

超前采样点数：32、64、128、256、512、1024。

延迟采样点数：32、64、128、256、512、1024。

前置放大器(固定/浮点/实时)：1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、16、32、64、128、浮点增益。

A/D：Δ∑24位。

理论动态范围：180 dB。

触发方式：内触发(信号沿触发)/外触发/，触发能级可调。

输入阻抗：20 MΩ。

最大输入信号：±10 V。

内置充电电池，充满可连续工作8 h以上。

波形显示：道归一化/文件归一化。

工作时间：不低于8 h。

数据存储：满足10 kHz采样率下，8 h实时采集数据量。

检波器参数：高灵敏速度传感器，频响范围满足1～4 kHz。

基站存储式、主机存储。

2.3 槽波勘探工程布置

结合本次地质任务，为了较精确查明巷道揭露及工作面内隐伏的地质异常，采用全排列采集方案最大限度地接收有效数据，提高成像精度。

设计本次9311回风巷槽波反射法探测主要在9311回风巷布置炮点和检波点。其中9311回风巷设计长度790 m，接收道距10 m，炮距20 m。

2.4 施工方法及工作量

针对巷道内部揭露情况和煤层的变化趋势，在实际施工中，应将检波器对接到靠近工作面一侧的煤壁上[2]。炮孔方向垂直煤壁，深度2.5 m，单孔药量0.2 kg。数据采集采用YZD11矿用本安型槽波地震仪，采样间隔0.25 ms，记录长度4 s，每个炮点激发，所有接收点均接收，具体布置方案见表1。

表1 槽波反射法探测测点布置一览表

施工过程中，按照测点标记位置布设仪器和检波器。测线布置完成后，放炮前其他人员撤离到安全地带，由具有井下放炮资质的爆破人员负责放炮，整个施工过程按照安全规程规定进行作业，确保施工安全，所有激发点放炮完毕，回收全部设备后，本次施工井下资料采集结束。

2.5 施工技术措施

施工技术措施包括①施工前完成仪器的测试和年、月检以及检波器的测试等工作，保证仪器的正常运行；②严格按照设计炮点、检波点设计，确保炮点、检波点准确无误；整个工区的每一个炮点和检波点都有唯一的编号；③移动后的点位均在现场标在施工图及班报上注记清楚；④成孔质量保证在设计要求内，装炸药之前要将钻孔中的煤粉排除干净，保证炸药放到孔底，并用充实炮泥填充，保证炮泥不被冲出；确保良好的接收条件，保证检波器和钢钎充分耦合，保证检波器有良好的接收效果；⑤每放一炮仪器操作员回放监视记录，进行现场质量监控，发现错误及不正常工作道要及时排除。充分利用地震现场处理工作站的监控优势，发现质量变差时，要及时查找原因并采取措施，加以改善，以确保原始记录质量；⑥设立专人做好班报、磁带(盘)记录和监视记录整理工作，应将炮点和检波点位置展在平面图上。做好磁带(盘)、仪器班报、观测系统等野外基础资料的检查验收工作，为资料处理提供齐全准确的原始资料和图件；⑦对于原始资料执行操作员、项目组和技术质量监督管理部三级检查、二级验收制度。交到处理站的原始资料是经过野外检查、核对无误并整理齐全的资料，处理员对该资料再进行一次100%的检查后进行处理。

2.6 反射法槽波地震勘探工程量及效果评价

9311回风顺槽矿方要求测量700 m，实际完成790 m，超额完成了本次槽波透射勘探的井下施工工作，井下现场工作量统计，见表2。

表2 井下现场工作量统计表

整个工作参照执行《煤炭煤层气地震勘探规范》(MT/T 897-2000)《地震勘探爆炸安全规程》(GB12950-1991)要求，本次槽波地震勘探设计共40炮，实际施工40炮，有效炮被评级后皆为甲级。槽波地震数据满足本次勘探区域内的反射槽波地震勘探技术要求。

3 反射法槽波地震数据处理分析

本次槽波反射地震勘探中，共获得40张反射槽波地震单炮记录，全部为有效记录。从井下现场记录上分析，初步可判断回风巷侧帮内有断层存在。

反射槽波数据处理和常规地震数据处理相似，如振幅补偿、直达波切除、滤波、反褶积、包络计算、速度分析、动校正、叠加和偏移等，不同之处是槽波的反射处理要仔细分析反射槽波的特征，特别是频率特征，一般槽波在传播过程中如果遇上断层面之类的阻挡便会有槽波反射回来，常常以埃里相为主，通过分析埃里相频率利用窄带滤波首先提取反射波，然后对此进行包络计算，最后实现叠加和偏移。本次槽波勘探针对巷道不同区段选取的成像方式略有差异，但其最终目的皆为突出断层异常显示。

图1为处理后的叠加剖面，从中可以明显看到反射界面的形态，它表达了断层的断煤交线。