槽波探测小断层网络复杂区方法研究与应用＊

2020-02-22刘勇胜刘硕

中国科技纵横 2020年17期

刘勇胜刘硕

（1.开滦能源化工股份有限公司，河北唐山 063000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

断层是煤矿生产中最常见的一类地质构造，它是由岩石受力超过其强度时破裂，岩层相互挤压剪切，形成了小断层和伴生裂隙发育为主要特征的破碎带[1]。断层网络复杂程度是评价断层切割、破坏程度的重要指标[2]。工作面内小断层网络复杂区，小断层和伴生裂隙发育，往往是诱发与矿井突水、瓦斯突出、应力集中等地质灾害的重要原因。

1.小断层网络复杂区

断层网络复杂程度是指某一块段对断层切割、破坏的程度，常用的指标有断裂密度、断裂长度及断裂强度等[3]。在煤矿井下工作面内隐伏小断层网络复杂区，断层切割和破坏程度较高，小断层和伴生裂隙发育，导致该区域煤层缺失或者变薄，对采煤造成严重影响。同时煤层顶底板被破坏，可能诱发矿井突水、瓦斯突出、应力集中等地质灾害。

2.槽波探测技术

透射槽波探测法采用从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。激发点与接收点布置在采区周围不同巷道内，根据槽波的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。槽波最大特征是频散，即槽波的传播速度是频率的函数。具有频散的槽波，相速度和群速度明显不同。槽波相速度为相长干涉相位波前沿波导传播的速度。槽波群速度是波的能量传播的速度，由于波的能量与振幅的平方成正比，群速度相当于波列包络极值传播的速度。

槽波相对透射系数成像方法，通常是利用煤层中高频槽波震相传播能量相对于低频槽波震相传播能量的透射系数来量化异常体存在的可能性大小[4]。但由于部分区域槽波的高、低频震相频段相近，难以区分时，就要利用槽波在群速度的差异，定义其相对透射系数。相对透射系数成像图中值越高，表示相对透射能量越强，煤层相对正常；否则，值越低，相对透射能力越弱，煤层中存在构造情况。

3.三维数值模拟

采用三层地质模型，中间层是煤层，煤层厚度为5m，顶底板为砂岩，沙岩厚度为10m。本次正演模拟的检波点间距为10m，激发点间距为20m，时间采样间隔dt=0.25ms，震源为涨缩震源，同时激发纵波和横波，采用主频120Hz的雷克子波。模型介质为各向同性弹性介质，相当于品质因子为无穷大。采用交错网格高阶有限差分算法[5-9]。

图1 顺煤层方向平面图

图2 槽波相对透射系数成像

图1为顺煤层方向平面图，模型中有7条断层，都是正断层，F1、F2、F3、F4、F6和F7断层落差都为2m，F5断层落差1m。

三维数值模拟S18激发点位于图2风道中S18位置，接收点位于运道。S18激发后，在ab段，煤层连续，槽波能量正常，槽波相对透射能力强；在bc段受到F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7断层影响，槽波相对透射能量弱；在cb段连续，煤层正常，槽波相对透射能力强。通过槽波相对透射系数成像，可以反演小断层网络密集区的位置。

4.应用实例

钱家营煤矿2822西工作面设计走向长1382.6m，倾向长179.8m，主采煤层为二叠系下统赵各庄组12-1煤。煤层厚度1.2m～7.3m，平均煤厚3.8m。

本次槽波地震勘探工程采用全排列接收方式，在风巷和机巷检波器和激发点。检波点采用10m接收道距共布置接收点222个，测线长度2210m。激发点采用20m间距，共布置激发点111个。

采用槽波相对透射系数成像方法进行数据处理，成像结果如图3所示。图中蓝色区域为相对透射能量强，煤层相对正常；红黄色区域为相对透射能力弱，煤层中存在构造情况。结合三维地质数值模拟结果和全区地质构造分布规律，在2822西工作面内解释小断层网络复杂区2处。后经回采验证，槽波解释小断层网络复杂区1揭露断层5条，落差1m～2m；小断层网络复杂区2揭露断层6条，落差0.7m～3.8m。