基于地震槽波透反射联合勘探的断层探测技术研究

张万鹏 姚小帅 金明方

（河南能源化工集团研究总院有限公司，河南 郑州 454060）

观音堂煤矿位于豫西三门峡市观音堂镇，受区域构造影响，井田内构造发育，煤层厚度变化较大，煤层赋存不稳定。工作面上下巷在掘进过程中所揭露的断层，向工作面内部延伸情况，尚缺乏有效的物探探测手段，钻探手段施工成本高、周期长[1]，工作面内部构造发育情况成为制约矿井安全高效生产的关键因素。由于受井田范围内地表属丘陵地貌、地形高低起伏、落差较大、探测区域采深较大等因素影响，导致常用于煤矿构造探测的地面三维地震勘探结果与井下探测和工作面回采实际揭露情况差别较大，难以指导工作面设计、掘进和回采。无线电波坑透探测手段仅能通过工作面内部各区段对电磁波的吸收情况定性描述各部分煤层赋存情况，难以区分探测异常是煤层薄化、夹矸或是构造发育等，且分辨率较低[2-3]。因此，现有物探手段难以准确探测工作面内部构造发育情况，导致工作面常因煤层薄化、构造发育等因素，在回采过程中进行巷道改造，重开切眼，甚至放弃工作面，断层成为影响矿井安全高效生产的主要因素之一。近年来，由于地震槽波探测距离远、携带介质信息丰富等优点，广泛应用于井下煤厚变化、断层和陷落柱等地质异常的探查，地震槽波勘探手段在国内发展较快，尤其在断层探测方面，探测优势明显，成果可靠[4-6]。本研究拟采用地震槽波勘探手段开展工作面断层探测，为矿井开展工作面改造提供科学依据。

1 地震槽波探测原理概述

地震勘探是通过观测和研究人工地震（炸药爆炸、锤击激发等）产生的地震波在地下的传播规律来解决地质问题的一种地球物理方法。槽波地震勘探是利用在煤层中激发产生并且只在煤层中传播的槽波来探查测区内断层、陷落柱、煤厚变化和其他地质异常体的一种物探方法，服务于煤矿安全高效生产，是地震勘探的一个分支。

在煤系地层中，煤层与围岩相比具有密度小、地震波传播速度低的特点。煤与围岩的密度，速度比值约为1:1.5～3 之间，表明煤层顶、底板界面是一个极强的波阻抗（即速度与密度的乘积）分界面。因此在煤层中激发的地震波除部分向三维空间辐射外，其余能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层之中，不向围岩辐射，在煤槽中相互叠加、相互干涉，形成槽波，因为只在煤层中传播，所以也称为煤层波[7]。

槽波地震勘探可以用来探测煤层中分布的断层、陷落柱等矿井生产隐蔽致灾地质因素，也可以用于探测煤层厚度及其变化，为煤矿的安全高效生产提供科学依据。槽波地震勘探方法分为透射法和反射法，也可以将二者联合使用。透射法与反射法联合使用就是分别采用透射法和反射法对目标体进行探测和解译，并综合分析勘探成果，以期取得更好的槽波勘探效果，多用于地质条件或施工条件较为复杂的测区。若测区范围较大，可以采用分次施工，反射法和透射法可分开进行，分别采用不同震源；若探测范围较小，可以采用同时施工，同样一条巷道布置检波点和炮点，另一条巷道布置检波点，共同使用一个激发震源，可同时接收（图1）。

图1 透射/反射联合勘探原理平面示意图

此方法是利用透射炮点S2 到检波点G 的射线，对断层进行透射观测，用于估计与煤层厚度相比，断层落差相对的大小；利用反射炮点S1 到检点G的反射射线，确定煤层内断层的位置和规模。

2 测区概况

观音堂煤矿25050 工作面对应地表位于马头山余脉南麓，为山脊坡地地貌，地面标高+680～ +770m，等高线变化范围较大，地面落差较大。25050 工作面位于25 采区轨道下山北翼，上临25030 工作面采空区，下临25070 工作面采空区，切眼临近19090 工作面采空区下巷（图2）。

图2 25050 工作面平面位置图

25050 工作面长约870m，宽约150～290m，埋深约600m，开采山西组二1 煤层，煤种属焦煤，煤层厚度0～8.54m，平均3m，煤层赋存不稳定。煤层倾角10～15°，平均13°。煤层结构简单。煤层伪顶为薄层状泥岩，厚0～1.0m；老顶为大占砂岩，厚10～18m。直接底板为泥岩、泥砂岩互层，厚1.0～3.6m；老底为片状细砂岩，厚20～30m。工作面地质条件较复杂，煤层底板起伏不平，上、下巷外段基本沿向斜一侧走向布置，巷道掘进向里逾接近向斜轴部，受向斜影响，煤岩层产状不稳定，断层发育，断层走向多与工作面走向平行。工作面中小型断层发育，以正断层为主。25050 工作面上巷与25030 工作面下巷间距40m，中加DF2 断层，工作面外段处于DF2 断层下盘，DF2 断层呈尖灭趋势，25050 上巷掘进260m 后DF2 断层尖灭，巷道变方向进入断层上盘。其余断层落差较小。

截至地震槽波勘探时，25050 工作面剩余约280m。剩余区段构造复杂，煤层赋存不稳定。据巷道揭露显示，上巷里段存在120m 煤厚小于1.5m 的薄煤区，切眼发育两条落差大于4m 的正断层，两条断层形成地垒构造，造成采场中部60m 范围煤层被抬升至顶部，需破底推进，严重影响工作面的正常回采和原煤品质。为了探测切眼揭露2 条断层向工作面内部的延伸、落差变化情况，拟开展地震槽波勘探，为矿井进行工作面改造提供科学依据（图3）。

图3 25050 工作面切眼地质素描图

3 观测系统设计、施工

25050 工作面外段煤层赋存不稳定，构造复杂。为取得更为理想的勘探效果，本次勘探采用透射法与反射法相结合的探测方法，对切眼揭露断层向工作面内部的延伸情况进行探测。由于切眼所揭露的2 条断层中，上方断层距离上巷不足20m，为上巷探测盲区，因此，反射法勘探时将炮检点间隔布置在工作面下巷，共设计施工炮孔27 个，孔距10m，检波器孔28 个，孔距10m。透射法勘探在工作面上巷及切眼设计施工炮孔共36 个，孔距10m，与反射法共用检波器孔（图4）。本次槽波勘探工程实际施工炮点63 个，检波点27 个，其中检波点G3 为废道，共采集1701 道地震数据。

图4 25050 工作面槽波勘探观测系统

4. 数据解译

4.1 反射法数据解译

槽波勘探数据反射槽波信号整体较弱，仅个别地震道反射震相清晰，给数据解译带来困难。但通过共中心点叠加技术，即把同一中心点的不同炮检距射线数据经正常时差校正后进行迭加，既可提高信噪比突出反射震相。

槽波共中心点叠加图成果图（图5）显示，距上巷20～30m，沿工作面走向，存在一条反射震相（红色虚线），延展长度约130m，清晰度和连续性欠佳，结合地质资料推测此反射界面为切眼揭露断层向工作面内部的延伸。根据实揭资料，切眼中部还发育一条落差大于4m 的正断层，但在共中心点叠加剖面中，沿断层走向，未得到明显的反射界面，推测该条断层未向工作面内部延伸，或延伸距离较短。

4.2 透射法数据解译

25050 工作面设计测线1108 条，实际施工测线972 条，拾取有效测线297 条。选取185Hz 进行槽波速度层析成像，得到槽波速度分布图（图6）。槽波速度分布图显示：槽波速度范围750～1450m/s，其中波速大于1300m/s 的槽波高速区位于未回采区域里段的中上部，面积较大。根据波速与煤厚的关系，结合巷道实际揭露的煤厚、构造等资料，综合分析，此高速区存在一条断层或多条断层，也可能为煤层薄化区。

图5 25050 工作面反射槽波共中心点叠加图

图6 25050 工作面透射槽波速度分布图

5 成果验证

经回采验证，靠近上巷断层向工作面内部延伸范围约为146m，切眼中部断层未向工作面内部延伸，反射法解译结果中预测延伸距离约为130m。透射法解译结果中槽波高速区域为煤层薄化所致，回采过程中未揭露断层。地震槽波勘探成果与实际回采揭露一致性较好。

6 结论

地震槽波勘探手段能够用于断层探测，探测效果较好，经回采验证，预测结果可靠。在煤厚变化较大、构造发育等地质条件复杂区域，采用透反射联合探测的方法，并在成果解译过程中充分结合已揭露的地质资料，便能够取得更为理想的探测效果。地震槽波勘探作为井下物探手段，目前，在煤厚、断层和陷落柱等方面的探测技术已较为成熟，探测结果可靠，能够很好为矿井安全高效回采提供科学依据。未来，应着重开展围绕影响瓦斯、冲击地压和水害等致灾因素的探测试验，以期在煤矿灾害防治的物探保障方面能够发挥更大的作用。