槽波反射法在矿井断层探测中的应用

吕振绘

【摘 要】 断层是制约矿井生产的一个重要影响因素，提前探测出断层位置及赋存参数对确保矿井生产安全具有重要意义。为了探测出屯兰矿22301工作面断层赋存情况，在采面皮带巷内采用槽波反射法进行探测，后将探测结果与钻探、实际开采时揭露断层参数进行比对，并对该技术方法在井下断层精度勘探中应用情况进行分析。采用主频率100～150Hz、速度880m/s槽波在22301探测出存在一条西南方向、长度205m反射界面，推测为一断层，经过轨道巷道内的钻探、掘进揭露以及采面回采揭露，证明了该断层真实存在，且实际走向与探测走向一致，实际揭露位置与探测位置偏差8m，采面内延伸长偏差7m。结果表明，采用槽波反射法可以实现对采面内断层的精准探测，可以在一定程度上弥补三维地震勘探存在的探测结果偏差大问题，提升采面生产安全系数。

【关键词】 物探;煤矿生产;断层;槽波反射法;槽波频率

【中图分类号】 TD166 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0019-03

屯兰矿井田地质构造较为复杂，特别是断层较为发育，给矿井采面布置以及巷道掘进、采面回采等带来不利影响。若回采或者巷道掘进遇到无计划揭露断层会有顶板冒顶、涌水、瓦斯突出等安全事故，在影响井下作业人员安全的同时也会给矿井带来较大财产损失。现阶段矿井地质构造探测常用技术手段有无线电坑透、钻探及三维地震勘探等，但不同程度存在探测精度差、耗时费力及对探测环境要求高等问题。

槽波探测技术近些年凭借探测范围广、精度高及抗干扰能力强等优点，在煤矿井下应用比较广泛。槽波反射法可以对不同波阻抗的地质边界进行探测，多用于探测断层，也可探测陷落柱边界，可以在单一侧巷道内对断层进行探测。22301工作面现仅掘进22301皮带巷，为了确保后续切眼、22301轨道巷掘进安全，矿井采用槽波反射法对采面内断层进行详细探测，以便指导后续矿井生产。

1工程概况

屯兰矿22301工作面设计走向2673-2632m，倾向215m，开采埋深357m-458m，开采煤层厚度4.10～4.79m，平均4.39m。现22301皮带巷已掘进完成，轨道巷及其他辅助巷均未掘进。地面三维地震探测结果表明采面内存在三条断层，预计断层发育参数为JFD22（H=0～10m，∠70°）、JFD87（H=0～2m，∠45°～50°）、JFD88（H=0～2m，∠50°～55°），JFD22断层可能会影响切眼掘进。为了精准对JFD22、JFD87及JFD88断层赋存情况进行探测，以便为其余巷道掘进过断层提供指导，矿井决定在已掘进的22301皮带巷进行槽波反射勘探。

2槽波探测技术

2.1槽波探测原理

槽波在探测区域内激发震动，便会在各个方向扩散产生地震波（含P波及S波），其中S波分为SV、SH波。由于煤、岩层性质差异，地震波在煤、岩层等传播时速度存在差异，同时在煤层顶底板会出现发射、折射，地震波在煤层内叠加形成槽波（见图1）。当探测范围内存在如断层等地质构造时，槽波特性会发生改变，对槽波特性分析便可以实现对地质构造的详细探测。

槽波探测可细分为反射法、透射法以及联合法。反射法是将炮点、槽波检波器布置在同一巷道内，炮点钻孔布置在煤层中部，当震源激发产生的槽波遇到地质异常界面后，产生反射槽波信号，在巷道内的槽波检波器就可以接收到反射信号，通过识别分析，便可对地质异常体类型以及延伸长度进行确定，具体见图2。

槽波反射法受到诸如反射系数、断层落差、多条断层叠加以及断层倾向等参数影响，因此适用于在槽波赋存特性相对较好的煤层中。在井下采用槽波反射法对断层进行探测时需要合理地布置观测系统，以便获取较好的探测结果。

2.2探测系统布置

采用的勘探设备型号为Summit II Ex地震仪，测线布置长度为350m，在22301皮带巷内每隔15m布置一个检波器，共布置20个;每隔7.5m布置一个炮孔，共布置48个，单个炮孔装入0.2kg，从皮带巷与切眼交汇处开始至停采线位置逐炮激发将接收槽波数据。具体布置示意见图3。

2.3探测数据处理

采用槽波反射法对采面内断层进行探测，在皮带巷布置的震源激发后形成的槽波扩散呈现环状。由于检波器与震源在同一巷道内，这部分直达槽波会沿着煤壁最快、最先达到检波器，另一部分槽波在采面内由于经过断层反射后形成反射槽波，且槽波传输距离要显著远于直达槽波，滞后达到检波器。

从图4可以看出，在300～450ms间存在的反射槽波具有低速、高频特点，同时反射槽波存在也表明探测范围内存在地质异常体。

對槽波探测数据处理采用SPW处理系统，具体的数据处理流程为：数据录入→观测系统加载→延时校正（静校正）→AGG增益及滤波→速度分析（动校正）→包络计算→CPM包络叠加→时深转换以及相移偏移。具体数据处理得到的反演结果见图5。

由于叠加形成的槽波具有频散特性，造成反射槽波分布在以时间宽度范围内，而不是一条同轴上，根据“取中原则”确定出槽波异常区范围，具体见图5中虚线部分，命名为JFD01断层。根据反射槽波探测结果及以往地质勘探资料，推测出该异常区为西南向断层，在采面内延伸发育长度为205m，且与轨道巷交汇位置与开切眼间距离为210m。

3探测结果验证

为了验证采用槽波反射法探测出的JFD01断层精准度，在22301轨道巷掘进距切眼360m、280m位置时施工探测钻孔，对探测结果进行验证，具体槽波反射法、三维地震以及钻探确定的断层位置见图6。

1号钻孔揭露断层位置与22301轨道巷距离为79m，与槽波反射法推断的断层距轨道巷距离82m差3m;2号钻孔揭露断层位置与22301轨道巷距离为67m，与槽波反射法推断的断层距轨道巷距离65m差2m。同时22301轨道巷揭露JFD01断层时与切眼相距215m，较槽波反射法推断的距断层210m相差5m，与三维地震勘探出的JDF22断层位置（距切眼197m）相差18m。

同时22301采面回采时实际揭露的断层与槽波反射法探测出的JDF01断层赋存参数高度相似，具体位置偏差在8m以内，揭露的断层走向与探测出的断层走向一致，在采面内实际揭露的断层延伸长度为212m，较槽波反射法探测的采面内断层延伸长度205m多7m，三维地震勘探推测出来的JDF22断层在采面内的延伸长度仅为53m，同时JDF87、JDF88与实际揭露的断层走向、延伸长度等差距均較大。

通过对比22301采面钻探、实际开采揭露断层与三维地震勘探及槽波反射法探测出的断层参数，表明：采用槽波反射法探测出的断层参数具有较强的准确性及实用性，可以为三维地震勘探成果提供可靠补充，有效纠正采面内JDF87、JDF88断层存在的误判，并弥补JDF22断层探测结果存在延伸距离过小问题，避免矿井在巷道掘进以及采面回采时面临无计划揭露断层风险，提升了采面采掘安全系数，取得显著安全、经济效益。

4总结

（1）在槽波反射法现场应用中发现槽波主频率在100～150Hz，槽波速度在880m/s时的槽波探测数据解析结果与现场实际更为吻合;

（2）在22301采面应用实践表明，槽波反射法探测出的西南走向，采面内延伸长度在205m的JDF01断层与采面回采时实际揭露的断层高度一致，位置偏差在8m以内，有效指导了采面生产。同时探测结果在一定程度上补充了三维地震勘探结果存在误差较大问题，是井下地质构造探测补充勘探中一种切实可行的技术措施;

（3）由于叠加形成的槽波具有信噪比低、分散性等特点，给槽波速度确定及后续成果解释增加了一定的困难，在现场应用过程中难以避免会出现一定解释偏差。同时当探测系统轴向与断层走向间角度较大时探测结果解释准确性不足，在后续的应用过程应根据现场实际，避免上述情况发生，提升槽波反射法解释精度。

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