槽波地震勘探在王庄煤矿地质异常探测中的应用

朱 明

（潞安环能股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046031）

槽波地震勘探技术是最受关注和最具有发展前景的一种地球物理探测方法，其利用在煤层中激发的地震波，向煤层四周扩散传播过程中遇见介质会发生能量反射，形成能量干涉，当遇见断层、陷落柱等地质异常，会发生槽波状态及能量衰减程度的改变，进而对煤层中存在的地质异常进行解释[1,2]。槽波地震勘探技术以其探测距离远、抗干扰能力强、探测结果易解译等特点受到煤炭工作者的青睐[3]。王庄煤矿处于潞安矿区中东部，年生产能力达800万t/a，主采二叠系山西组3#煤层，随着采煤活动的不断扩展，矿井地质结构复杂程度不断加深，断层、陷落柱、破碎带等地质异常发育，采用合理的勘探技术对煤层中覆存的地质异常进行探测和解译，是预防王庄煤矿地质灾害发生的重要手段。本文以王庄煤矿9102工作面为例，采用槽波地震勘探技术对工作面内地质异常进行探测，以便为工作面安全生产和提高开采效率提供地质资料。

1 槽波地震勘探的工作原理

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，形成能量干涉，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[3,4]。槽波地震勘探技术按照震源与检波器之间位置关系，分为透射法和反射法两类，本文主要介绍透射法的工作原理。透射法测量，震源与检波器布置在不同巷道内，即在一条巷道内激发，另一条巷道中接收透射槽波，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域内煤层的连续性[3]。当遇见断层或者陷落柱等地质异常，煤层波导会部分阻断，从而在透射槽波能量有一定程度的衰减，然后利用CT成像技术，可以清晰地圈定地质异常的位置。

根据王庄煤矿已有地质资料进行分析，理论预测9102工作面的地球物理特征为：平均煤厚6.60m，围岩密度2.6g/cm3，煤层密度1.32g/cm3。通过Love型槽波计算，可以得出9102工作面含煤模型中槽波的埃里相群速度约为800m/s，频率为140Hz，煤层中心处能量最强。

2 槽波地震数据采集及处理

2.1 槽波参数选择及观测系统设计

9102工作面平均顺槽长度为3088m，走向长度260m，本次勘探范围为9102工作面距离切眼1000m范围。根据已有槽波地震勘探经验、9102工作面槽波地震勘探参数验证和井下环境噪声分析，确定9102工作面槽波勘探基本采集参数：炸药量为200g，炮孔深度为2.0m，封孔炮泥1.0m，炮点布置在距巷道底板1.0～1.5m处，采样时间长度为4s。为了保证勘探精度及勘探的详细程度，充分考虑现有条件及地质任务，确定观测系统，见图1：（1）9102风巷布置检波点，间距为10m，共100道，编号为J1～J100；（2）9102运巷布置炮点（激发点），间距20m，共52炮，编号为P0～P51。

2.2 资料采集及原始数据分析

本次采用YTC9.6槽波地震仪，检波器采用SN4G-10Hz高灵敏度检波器，采样间隔0.25ms，记录时长4s。在处于煤层中间的锚杆上，使用转接头将检波器固定在锚杆上（注意：锚杆须要在煤层中），并且安置方向既平行于煤层走向，又平行于煤侧壁，且保证所有检波器方向一致。对照《煤田地震勘探规范》（DZ/T 0300-2017）、《地震勘探爆炸安全规程》（GB12950-1991）等评价标准，9102工作面槽波地震勘探设计52炮，实际有效炮点49个，其中P7、P13、P43炮点不具备放炮条件，49个炮点均取得了原始槽波数据，除了勘探范围的两侧边界外，其他勘探区域地震射线覆盖较为密集，检波点和激发点各项精度指标均符合规范要求。

对原始地震记录进行分析，可得9102运巷内P18炮、P32炮和P46炮出现槽波能量变化不连续现象，发生槽波缺失，推断在这三点附近可能存在地质异常阻隔了槽波的传递，导致槽波能量衰减。通过对9102工作面透射槽波勘探结果进行频散分析，通过多次滤波技术，得出工作面煤层的典型频散曲线-Love型槽波频散曲线，见图2，槽波的埃里相群速度约为800m/s，频率约为140Hz，煤层中心位置处能量最强。

3 槽波地震勘探成果解释

依据love型槽波频散曲线提供的埃里相振幅值，构建2D视衰减系数模型（包含介质吸收作用和地质构造等引起的散射作用），依据槽波能量成像结果，并结合已有地质资料做地质解释，并标定异常位置及规模。王庄煤矿9102工作面槽波能量成像的地质解释成果见图3和图4，9102工作面内存在三个异常区，分别标定为YC-1、YC-2、YC-3异常，结合井下现场记录及掘进期间地质资料分析，具体解释如下：

（1）YC-1异常。推断该异常区为陷落柱，异常长轴直径约135m，短轴直径约80m，距离切眼位置820m左右，距离9102运巷约88～175m，影响范围135m×80m。

（2）YC-2异常。推断该异常区为煤层厚度变化或煤岩层破碎引起的，异常临近9102运巷，横向延伸约210m，纵向延伸约25m，距离切眼位置400m左右。

（3）YC-3异常。推断该异常区为煤层厚度变化或煤岩层破碎引起的，该异常临近9102风巷，横向延伸约300m，纵向延伸约105m，距离切眼位置460m左右。

（4）由于在切眼位置未布置炮点，使得该探测区的边界区域所采集到的有效槽波地震数据较少而形成盲区，因而对右侧边界区域形成的异常不作解释。在后期数据处理过程中，参考工作面回采地质资料再做进一步分析。

图3 9102工作面透射槽波能量CT成果及地质综合解释图

图4 9102工作面透射槽波勘探地质成果图

4 结 论

9102工作面槽波地震勘探结果获得了质量较高的CT成像图，探测范围内圈定、解释了3处地质异常区，并对地质异常特征进行了相关描述，达到了预期物理探测目的，并且通过实际槽波地震数据的处理和解释，构建了王庄煤矿槽波地震勘探的探测体系和参数选择。然而，由于物探反演成果存在多解性，工作面内可能存在未查明的小型构造造成的异常区，应当进行必要的钻探验证。在实际生产应用中，应当将物探结果与已有地质、水文资料进行综合分析，确保工作面的安全生产。