槽波探测技术在济宁阳城煤矿的应用

毛庆福，高学亮，刘 震

（山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 济宁 272000）

济宁地区很多煤矿开采地质条件复杂，次级断层发育很多，给煤矿开采带来很多困难，尤其工作面内未查明的隐伏断层常常打乱正常开采计划，拖慢施工进度，严重者危害煤矿安全，给煤矿生产带来很大影响。

槽波地震勘探（In Seam Seismics，简称ISS）是利用在煤层中激发和传播的槽波（或称煤层波）探查煤层内的构造[1,2]（Dresen and Rüter,1994；刘天放等，1994），在探测断层、陷落柱等构造方面效果好，由于在井下观测，距离地质异常体近，比地面三维地震勘探更为精确，在探测距离和精度上也优于其他矿井物探方法。

从上世纪50年代槽波开始被发现[3]（Evison，1955），随后很多学者对槽波性质进行了研究[4-6]（Krey，1962；Krey等，1982；Buchanan 等，1983）。1985年，德国WBK公司推出了分布式槽波数字地震仪SEAMEX85，加速了槽波的实际应用。国内槽波的研究始于上世纪80年代，中国矿业大学和中煤科工集团西安研究院等单位做了较多研究和应用工作[2,7]。近几年，槽波研究越来越多[8-10]，因其良好的探测效果，在煤矿中的应用越来越普遍[11,12]。

1 槽波勘探原理

煤层和围岩相比体现出速度小、密度低等特征，是一类具有代表性的低速夹层，形成了一个特殊的“波导”。在煤层中激发地震波，地震波在顶底板上会形成全反射，在煤槽内彼此进行叠加，从而形成槽波。因而槽波具有能量强、传播距离远的优点。

探测工作面内部构造一般采用槽波透射法。该方法在进行勘探时，接收排列和震源排列处于工作面两侧巷道中，在煤层内激发槽波。假如工作面内煤层正常，不存在地质异常，那么槽波就可以被检波器成功获取；当断层的落差超过了煤层厚度，煤层就从整体上被切断，通常在接收排列上不能有效的收到槽波；当断层落差小于煤厚，煤层并未彻底断开，在接收排列上依然可以获取部分槽波，但槽波能量发生了明显的减弱，速度也受到一定影响，这是槽波勘探的原理。

2 槽波振幅衰减系数CT成像方法

对透射槽波，槽波振幅衰减不仅与介质本身吸收有关，还受断层、陷落柱等构造的阻挡影响，把构造的阻挡等同于介质吸收作用[13]，令其等效衰减系数为α。令槽波初始振幅为Ao，槽波传播x距离后，振幅变为A，A可表示为：

一般来说，断距大于二分之一煤厚的断层、煤厚变化幅度大于二分之一煤厚的煤层等较大构造，对透射槽波能量的衰减很大，尤其对断层、陷落柱构造，槽波振幅变化剧烈，所以槽波也一般用振幅变化判断构造异常。

把煤层平面划分为m个小矩形网格，假设区域内共有n条炮点检波点射线穿过，射线穿过任意一个网格的长度是dij，对第j条射线则可形成振幅衰减系数向量方程[14]：

把所有射线方程组合起来则得到槽波衰减系数矩阵方程。衰减系数矩阵方程求解可采用代数重建技术（Algebraic Reconstruction Technique，简称ART）、联合代数重建技术（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique，简称SART）或联合迭代重建 技 术 （SimultaneousIterativeReconstruction Technique，简称 SIRT）等算法。

3 阳城煤矿1311工作面槽波构造探测应用

3.1 工作面概况

阳城煤矿1311工作面（图1）设计走向长330m，倾斜宽186m，1311工作面倾角20°～26°，工作面标高-360～-580m。煤层为3号煤，煤层厚度6.9m，煤层结构简单，顶底板以砂岩和粉砂岩为主，满足透射槽波勘探方法的地质条件。根据三维地震资料，工作面周围断层较多。

图1 1311工作面槽波探测测点布置图（●炮点▲检波点）

3.2 观测系统布置

槽波理论最大探测距离是煤厚的300倍，所以该煤层槽波最大探测距离可达到6.9×300 m=2070 m，远大于本工作面长度，所以槽波可用于该煤矿的超长工作面探测。原计划沿工作面周围巷道布置炮点和检波器，但因现场特殊情况某些巷道段不能布置炮点或检波点，实际观测系统如图1所示，皮带顺槽布置检波器，轨道顺槽布置炮点，检波点间距和炮间距均采用10 m，实际布置检波器孔25个，接收有效炮点33个。测点包围了工作面，炮检射线高密度覆盖了探测区域，保证了探测精度。检波器采用孔中气囊式检波器，孔深2 m，能够使地震波不受煤壁松动圈衰减的影响，接收信号质量好，同时接收水平双分量信号，利用Love槽波进行探测。

3.3 数据分析

选一炮数据进行初步分析，S25炮数据如图2所示。

图2 S25炮槽波波场分析

图2 为典型的槽波记录，槽波能量很强、发育很好，说明该矿煤层条件十分适合槽波发育，利于槽波探测。最先到达的是来自围岩的折射纵波，经计算速度3100m/s，后面是折射横波，速度为1500m/s，最后面能量最强的能量团是槽波，速度850m/s。

应用多次滤波法提取数据的频散曲线（图3），埃里相位速度为850m/s，和实际接收槽波能量团速度一致。槽波埃里相频率在120～200Hz之间，槽波整体频率范围在100～300Hz之间，可选取此频率段进行滤波。

图3 槽波频散曲线

当槽波在传播过程中遇到断层、陷落柱、采空区等异常地质构造时，槽波能量会发生改变。就断层而言，若断层断距大于煤层厚度，煤层被完全断开，则槽波无法穿透到达另一盘；当断层断距小于煤厚时，煤层没有被完全断开，槽波部分能量能穿过煤层。

图4 S1炮数据异常显示

图4 S1炮数据中，皮带顺槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很强，而在R9处槽波能量急剧减小，说明在此处槽波遇到了断层等构造阻挡造成能量减小，射线路径上存在异常构造。

图5 S3炮数据异常显示

图5 S3炮数据中，皮带顺槽R9之前的道（R1-R9）槽波能量很强，而在R9处槽波能量急剧减小，和S1炮相同，说明在此处槽波遇到了断层等构造阻挡造成能量减小，射线路径上必然存在较大的异常构造。

3.4 槽波振幅衰减系数CT成像与地质解释

采用振幅衰减系数CT成像方法对槽波数据进行成像，图6为槽波衰减系数CT成像图，图中蓝色代表槽波能量比较强的区域，槽波衰减系数小，槽波正常穿过，红黄色代表槽波能量弱的区域，槽波遇到断层、破碎带等构造阻挡，穿透能量急剧减弱，为构造异常区。

图6右边红色条带区域是1311工作面最大的异常带，推测为落差大于煤厚的断层，命名为CF1，该断层在巷道揭露处为岩石（图1），无法打检波器孔，没有布置检波器，造成该区域为探测盲区，所以成像图上没有显示异常，但是根据异常带延伸趋势，该巷道段揭露断层是CF1断层的一部分。其他断层CF2-CF5异常较小，推断落差小于煤厚二分之一。工作面回采后验证CF1断层解释准确，断层落差大小、延伸规模和实际揭露一致，CF2、CF4、CF5断层和实际揭露基本一致，CF3断层和实际揭露位置有些出入，原因可能是该断层较小，槽波技术对落差大于煤厚二分之一的断层探测精度较高，而对于更小的断层精度较低。

图6 1311工作面槽波CT成像及构造解释图（洋红色线-槽波解释构造）

4 结论

槽波技术对断层构造反映敏感，探测准确度高，能够查明工作面内小型隐伏构造，为煤矿开采规划和安全生产提供保障。槽波振幅衰减系数成像方法对异常成像精度较高，是槽波成像的优选方法。济宁阳城煤矿槽波发育好，煤层厚，槽波传播距离远、探测范围广，具有探测超长工作面的潜力，槽波技术在该煤矿及附近煤矿具有较高的推广应用价值。