基于槽波透射法的极不稳定煤层薄煤区精细探测技术

2020-06-08张东营王圣龙

煤矿安全 2020年5期

张东营，杨培，王圣龙

（1.义马煤业集团股份有限公司，河南义马472300；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

在煤矿生产过程中，煤层厚度变化会严重影响煤矿采掘部署、生产计划，造成掘进煤层厚度缺失、变薄等变化时，会造成局部不可采的面积损失，采煤含矸率增高，煤质下降，因此对煤层厚度的变化规律进行准确的探测预判，将极大地提高煤矿的回采工作效率，煤层厚度的精确探测是影响煤矿的安全开采的重要因素之一，对于煤矿的采掘工作至关重要。为了更好地服务于安全生产，须准确提供煤厚差异信息，针对煤厚探测现有的主要物探方法有无线电波透视法、地震法、雷达探测法，但矿井雷达属于高频电磁波，探测距离有限，无法满足探测需求[1]。无线电透视技术探测距离远，虽然可以大致圈出煤厚变化区域，但是由于电磁波的反射和折射，薄煤区的探测范围精度不到50%，难以圈定具体的薄煤区范围，难以满足回采工作的实际需求。

Evison 于1955 年在新西兰首次于煤层中激发和记录到了槽波[2-4]。煤炭科学研究总院西安分院引进了SEAMEX 85 地震槽波仪及专用软件ISS[5]，在全国各大矿区广泛开展试验与方法研究，在陷落柱、断层、采空区等地质构造方面取得了一些有价值的科研成果[6]。义马煤业集团于2009 年从德国DMT 公司首家引进了当时世界上最为先进的SUMMIT-ⅡEX 槽波地震仪，并将其应用到义马煤业集团下属矿井，取得了一定的探测成果[7-9]。但是国内煤矿井下地质条件复杂，施工技术难度大，难以取得对煤矿地质构造体的高精度探测和定量解释。义马煤业有限公司根据该矿区特殊的极不稳定煤层，设计出一套针对极不稳定煤层具体施工、数据处理及成果解释的方法[10-15]，提出了利用槽波透射法探测煤层厚度的精细探测技术，经反复验证，取得了非常好的探测效果，为极不稳定煤层薄煤区的精确圈定提供了解决办法。

1 基本原理

1.1 Love槽波基本原理

煤层相对于岩层具有密度小，地震波传播速度低的特点，煤层与顶底板岩层之前形成一个较强的波阻抗分界面，地震波在煤层中激发并传播，除部分向三维空间辐射外，其余能量在煤岩界面多次全反射被禁锢在煤层之中，在煤槽中相互叠加、相互干涉，形成槽波。煤层稳定性、煤层结构、地质构造决定了槽波形成的质量。槽波具有频散现象，频散特征中含有大量的煤层和煤岩分界面的构造、速度和频率等相关信息。稳定煤层或者较稳定煤层槽波能量强，频散效应明显，不稳定煤层或者极不稳定煤层，槽波主频向高频或者低频移动，能量较弱，槽波信息难以提取识别。当煤层结构含有较多夹矸或者含有地质构造，会破坏煤层的连续性，槽波能量迅速衰减，导致频散曲线不连续，接收不到稳定的槽波信号。

1.2 数据采集及处理

槽波透射法数据采集模式是在工作面的运输巷道和回风巷道分别布置检波点和炮点，利用炮点激发地震波，另外1 条巷道通过检波点接收地震波，如果测区的地质条件简单，煤层赋存稳定，采用较大的道间距。如果测区的地质条件复杂，煤层赋存不稳定或极不稳定，则采用较小的道间距。增加采集数据的覆盖密度，提高探测精度，槽波透射法观测系统如图1。

图1 工作面槽波勘探观测系统Fig.1 Slot wave observation and observation system in working face

现在井下槽波常用的数据处理软件有美国SPW，德国的ISS 等。以美国的SPW 为例，利用透射槽波的速度、能量及频率等参数来反映煤层中的断层、陷落柱、采空区和煤层厚度及其变化等地质信息。通过SPW 软件对槽波速度参数的提取，结合使用TomCat、Surfer 等软件完成对槽波速度的层析成像。

1.3 频散分析

Love 型槽波在煤岩模型中的传播的频散方程如下：

式中：υ1、υ2为顶底板、煤层的S 波速度，m/s；μ1、μ2为顶底板、煤层的剪切模量，MPa；ω 为角频率，rad/s；cL为Love 型槽波的相速度；n 为振型阶数；d 为煤层厚度的一半，m。

设置3 层模型顶板为细砂岩，底板为砂质泥岩，煤层为无烟煤。选择理论状态测试出的岩层及煤层的密度及S 波速度。分别选取煤厚为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m 的煤层，对称3 层模型地层参数见表1。

表1 对称3 层模型地层参数Table 1 Stratigraphic parameters of the symmetrical three-story model

对该地层参数数据解析计算出3 层模型中不同煤厚对应的基阶振型槽波频散曲线，Love 槽波频散曲线与煤层厚度的关系如图2。

图2 Love 槽波频散曲线与煤层厚度的关系Fig.2 Relationship between the dispersion curves of Love groove wave and coal seam thickness

研究表明：煤层厚度的变化会引起槽波频散特征的变化，煤层厚度越大，槽波主频向低频方向移动，在同一频率下槽波波速较低。在选定同一频率时，煤层厚度和波速呈负相关关系。该模型中选定槽波频率为185 Hz，1.5 m 煤厚的槽波波速为1 350 m/s，频散曲线斜率最大，可以非常直观的与1、2 m煤厚区分开，因此波速（1 350 m/s）作为1.5 m 煤厚在185 Hz 频率下对应的特征波速。

通过对特征波速值圈定的等值线区域实现对应的煤层厚度的定量探测。槽波主频-煤厚-波速的对应关系作为槽波透射法探测薄煤区的理论依据。

2 工程实例

2.1 地质概况

义马煤业铁生沟煤矿位于偃龙煤田东端，地处河南省巩义市境内。矿区地质条件复杂，煤层倾角大，赋存条件差，煤层赋存不稳定至极不稳定，煤厚变化大导致生产极为低效，严重制约煤矿的正常生产。槽波地震探测的测区位于铁生沟煤矿12090 工作面，工作面走向长度为460 m，倾向长度为150 m。工作面顶板为细砂岩层，底板为砂质泥岩层，煤层成粉状，局部含夹矸，根据工作面掘进过程中收集到的煤层揭露资料，煤层厚度最小低至0.2 m，最大处达到7.8 m，平均煤厚2.2 m，变异系数达到了73%，赋存极不稳定。

该工作面煤层厚度小于1.5 m 的薄煤区是影响工作面回采效率的主要影响因素，前期由于工作面煤厚分布情况不明，导致先期回采部分多次盲目改造，因此需要探查清楚薄煤区分布情况。为摸清工作面薄煤区的分布情况，采用槽波透射法对工作面内部进行覆盖探测。

2.2 槽波透射法观测系统

为查明铁生沟煤矿12090 工作面煤层厚度变化情况，圈定1.5 m 厚薄煤区具体分布范围，采用德国产SUMMIT II Ex 型槽波地震仪对12090 采煤工作面采用透射法进行槽波地震勘探，炮孔安装在工作面回风巷；检波器孔安装在工作面运输巷，工作面地质条件复杂，煤层赋存条件较差，为保证探测精度，采用非均匀间距布置炮点及检波器点，针对探测目标区域布置密度较大。为避免破碎的顶底板对震源产生干扰，特设计炮孔深度为6 m，使震源在实煤体内激发。槽波勘探参数见表2。

表2 槽波勘探参数Table 2 Slot wave exploration parameters

2.3 层析成像

12090 工作面槽波勘探实验检波点G2、G3、G7、G10、G12 因煤层过薄或位于巷道顶部，未能安装；G24、G29 因检波器孔塌孔也未能安装，从原始数据来看，本次勘探采集的地震数据槽波信号微弱、埃里相缺失，质量整体较差，S23 炮点槽波记录如图3。

图3 S23 炮点槽波记录Fig.3 S23 shot of groove wave record

经处理之后部分数据仍可辨识到低频的频散曲线，S23-G19 槽波频散曲线如图4。

根据单煤层条件下Love 型槽波频散曲线与煤厚变化关系，1.5 m 煤厚槽波特征波速为1 350 m/s，拾取频率为185 Hz，在测区范围内圈出的1 350 m/s特征波速等值线区共3 处，12090 工作面槽波速度分布图如图5。

图4 S23-G19 槽波频散曲线Fig.4 S23-G19 slot wave dispersion curve

图5 12090 工作面槽波速度分布图Fig.5 Slot wave velocity distribution of 12090 working face

2.4 验证

根据槽波速度与煤厚的对应关系，将槽波波速v=1 350 m/s 作为1.5 m 煤厚等值线，在测区范围内共圈出煤厚小于1.5 m 的薄煤区3 处，12090 工作面槽波预测煤厚与实际揭露对照如图6。

1）E1 薄煤区位于回风巷切眼口向内176 m 和切眼回风巷口向下86 m 范围，对正常回采存在影响。

2）E2 薄煤区在运输巷切眼口向外136～175 m范围，其向工作面内部延伸约70 m，对正常回采存在影响。

3）E3 薄煤区在运输巷切眼口向外205～245 m范围，位于工作面内部，呈封闭环状在掘进过程中一直未揭露，对回采影响很大。

经工作面已回采范围的煤厚资料与槽波透射法勘探资料验证，在工作面开始回采前，该矿根据槽波勘探成果提前对E2 薄煤区进行了改造。从改造巷揭露煤厚资料看，E2 薄煤区实际位置与范围与槽波预测成果基本一致；2017 年10 月工作面回采完毕，统计回采过程实际揭露的煤厚资料并将其与槽波预测煤厚进行对比，150 个实测煤厚点123 个符合槽波勘探预测，预测准确率达82%。