薄煤层透射槽波探测技术及应用

杨 辉

薄煤层透射槽波探测技术及应用

杨 辉

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

为提高透射槽波探测技术在薄煤层中对断层的解释精度，根据槽波在薄煤层中吸收衰减严重，传播距离近的特点，提出采用槽波最远传播距离来约束CT成像的方法。通过理论推导，研究不同煤层厚度条件下槽波频率的变化情况；以1.5 m煤层为主要研究对象，正演模拟槽波的衰减特性，确定1.5 m煤层中槽波的有效传播距离为300 m。对山东某矿15号煤层的槽波资料，应用该技术CT成像，解释的断层和巷道揭露推断的断层位置基本吻合。结果表明：对1.5 m煤层的槽波资料处理时，以300 m为最大有效传播距离，对实际数据进行能量衰减成像，提高了槽波CT成像质量和解释精度。该方法可为薄煤层槽波探测技术提供借鉴意义。

薄煤层；透射槽波；能量衰减；速度滤波；断层；CT成像

随着煤矿机械化开采程度的不断提高，迫切需要在工作面回采前对隐伏构造进行探查，以避免因构造落实不清而造成的灾难性事故[1]。三维地震勘探技术虽已成为地面构造探测的首选方法，但受其分辨率的限制，难以探明这些小构造。尤其是当煤层厚度较薄时，3 m左右的小断层往往也会对工作面的回采造成严重影响。近年来，煤矿井下探测技术发展迅速，尤其是以槽波探测为主要技术手段，已成为煤矿井下高精度构造探测的首选技术[2]。煤矿井下透射槽波探测技术优势明显，具有探测距离远、不受井下电磁环境的干扰，可以查明直径大于20 m的陷落柱，落差大于1/2 煤厚的断层，圈定煤层变薄区的范围、采空巷道等异常，在许多煤矿已得到实际资料的验证，取得了良好的地质效果[3-7]。这得益于对槽波技术认识的不断深入，何文欣[8]利用槽波波速来识别速度异常体；金丹等[9]采用极化滤波方法对槽波信号进行增强，提高了槽波成像质量；姬广忠等[10]采用槽波衰减系数成像法对工作面内部异常构造进行探测；姬广忠等[11]对含垂直裂隙HTI煤层介质槽波频散特征进行初步研究。但是，槽波探测也有其适定性问题，其探测效果受多方面因素的制约，煤厚、煤岩物性条件、夹矸、构造和煤层结构的复杂程度都对槽波探测的效果有直接影响。一般而言，在中厚煤层(厚度大于3.0 m及以上)探测效果最好，薄煤层效果次之[12]。

目前，槽波探测工程实例[13-17]大多在中厚煤层中进行，较少有人开展薄煤层槽波的频散特性与地质异常探测之间的关联研究[18]，尤其是含异常构造时煤层内Love型槽波传播规律，更缺乏探测实例。H. Rueter等[19]按透射法计算Love型槽波合成记录，其研究表明，当槽波传播距离小于250 m时，埃里震相始终很强，当传播距离大于250 m以后，随着传播距离的增大，埃里相则迅速衰减。近年来，在槽波的研究文献中，仅杨真等[20]研究了0.9 m薄煤层SH型槽波频散特征及波形模式，认为薄煤层中槽波在频率域中存在两个不连续的波段，尚未见其他研究成果。在我国许多矿区(东部矿区、两淮地区等)都存在着大量的煤层厚度小于2.0 m的情况，这就需要对薄煤层中槽波探测效果进行分析，以证实其探测的有效性。因此，笔者以山东某矿15号煤层(平均厚度1.5 m)为研究对象，针对薄煤层中槽波发育差、传播距离近的实际情况，采用相应的技术手段，开展1.5 m煤层槽波探测成像质量及探测效果研究。

1 薄煤层透射槽波探测技术

1.1 不同煤厚时槽波的Airy频率变化情况

槽波传播距离的远近受多种因素影响，如震源能量强弱，煤层与其顶底围岩的物性、Q值、煤厚、煤层内构造和非构造地质破坏情况、裂隙发育程度、煤层夹矸、人为干扰等。排除构造与非构造因素、人为干扰和震源能量等因素以外，槽波在传播过程中主要受煤层厚度和煤岩结构影响，煤岩结构是煤层与其顶底围岩物性的客观反映，存在一定的地区差异。槽波的优势能量集中在Airy相附近，本次重点分析不同煤厚情况下，槽波的频散特征。因此，设计3层对称模型，中间层是煤层，煤层中部均含0.2 m夹矸。煤层顶、底板围岩物性相同，纵波速度均为4 000 m/s，横波速度均为2 300 m/s，密度2.7 g/cm3；煤层纵波速度 2 200 m/s，横波速度为1 300 m/s，密度为1.3 g /cm3。假定煤层顶底板物性相同且稳定不变，正演计算煤层厚度为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m时的槽波频散曲线。

理论计算出的频散曲线如图1所示，从图1可以看出，煤层厚度变化对Love型槽波频散特征影响较大，随着煤层厚度的减小，槽波的Airy相频率逐渐升高，如5.0 m煤厚的槽波Airy相频率在110 Hz；2.0 m煤厚的槽波Airy相频率在290 Hz，1.0 m煤厚的槽波Airy相频率在550 Hz左右。

图1 不同煤层厚度时的频散曲线

频率越高，介质的吸收衰减越严重，地震波传播的距离越近。因此，随着煤层厚度的变薄，槽波Airy相的传播距离也越近。而实际介质并非理想的完全弹性介质，加之“岩–煤–岩”结构上的差异，槽波施工一般采用炸药震源，分量接收方式进行，采集到的槽波数据的频散曲线与理论计算结果存在一定差异，槽波的Airy相频率会向低频移动，能量主要集中大于Airy相频率的某一个频带范围内。如山西某矿山西组3号煤，平均煤厚2.2 m，实际槽波Airy相频率在220 Hz，如图2a所示，能量主要集中在240~380 Hz的频带范围内；淮北某矿10号煤，平均煤厚2.8 m，槽波Airy相频率在180 Hz，如图2b所示，能量主要集中在190~380 Hz的频带范围内。

图2 不同矿区采集的槽波频散曲线

1.2 1.5 m煤层中槽波的衰减程度分析

由槽波的传播理论可知，槽波能量与介质能量衰减系数和传播距离的关系为：

图3 1.5 m煤厚槽波合成记录及其能量衰减曲线

理论模拟数据无噪声影响，而在实际资料中，还需充分考虑噪声对槽波信号的影响，只有在信噪比较高、资料可信的情况下，才能对槽波的衰减进行分析。以本次探测实例数据为基础，选取槽波较为发育的单炮资料进行分析(图4)。图4a为实际数据提取的共接收点道集，通过分析、拾取槽波传播不同距离后的实际振幅值，并计算其与震源处槽波能量的比值，即值，绘制与的关系，如图4b所示。由图4a可以看出，随着槽波传播距离的增大，槽波能量逐渐减弱，直至槽波能量与背景噪声完全混合，无法区分。当槽波传播距离小于250 m时，槽波能量肉眼上无明显减弱，可有效识别槽波；当槽波传播距离大于250 m且小于340 m时，槽波能量衰减较快，但仍能有效识别；当槽波传播距离大于400 m时，槽波已衰减至无法识别，或与背景完全混淆。这说明在实际资料中，当槽波传播距离大于350 m时，资料已变得不可信。从图4b可以看出，当槽波传播距离约为300 m时，槽波的振幅与初始振幅的比值接近2%，距离大于300 m时，能量衰减很快，数据已变得不可信。

图4 实际槽波记录(滤波后)及其能量衰减曲线

1.3 槽波CT成像技术

层析成像技术又称CT(Computerized tomography)技术，早先是医学界用X射线或超声波为病人迅速诊断而发展起来的一种成像方法。后来，该技术被引入到地球物理领域，开始应用于研究地球内部构造及天然地震等。目前，基于槽波能量的CT成像方法主要是利用槽波衰减系数属性进行CT成像。当槽波遇到断层等构造影响，槽波能量会发生剧烈变化，在消除因震源和检波器耦合影响后，利用槽波能量衰减系数属性对目标区进行CT成像，以反映目标区内异常构造的位置等参数。

2 应用实例

2.1 工作面概况

山东某工作面走向长度约950 m，宽度120 m，开采15号煤层，煤层赋存稳定，厚度1.4~1.6 m，平均1.5 m，中间含20~30 cm的夹矸。主要受断层构造影响，两巷道揭露断层4条，对工作面回采均有较大影响。槽波探测测线沿运输巷、切巷和轨道巷布置，似“U”型，炮间距为20 m，道间距10 m。

2.2 数据分析

当槽波在正常煤层传播时，槽波能量强，当遇到断层等构造遮挡时，槽波能量会减弱。若断层断距大于煤层厚度，槽波无法穿透。通过对实际资料的分析，估算出纵横波速度等参数，计算槽波频散曲线，如图5所示，煤厚为1.5 m的槽波Airy相频率在200 Hz附近，其能量主要集中在190~310 Hz的频带范围内。据此对槽波进行必要的处理，以突出槽波信号，压制其他类型的干扰波。

图5 透射槽波频散分析

2.3 成像结果及分析

选取适宜的参数对槽波数据进行一致性校正、能量补偿、速度滤波等处理后，即可对数据进行CT成像。红黄色区域代表槽波能量衰减大，为异常区域。考虑到探测工作面煤层厚度较薄，槽波能量衰减严重。首先，对记录上的槽波进行有效识别；其次，通过分析槽波记录中炮点到接收点的距离，并对槽波的传播距离进行统计；最后，选取适宜的槽波传播距离来约束CT成像结果。本探测实例中，槽波最大的传播距离约为350 m(仅个别位置)，大部分单炮上槽波的传播距离为300 m左右，因此，选取=300 m为约束条件，即当炮点到接收点的距离大于300 m的接收道不参与计算，提高成像时可信射线数量，减小槽波在薄煤层中衰减因素的影响，突出了构造因素产生的槽波能量异常，约束槽波传播距离后的CT成像结果(图6b)，并与未进行距离约束的成像结果(图6a)相比，图6b中异常能量更加聚焦，所反映的异常形态也更加清晰。在CT成像时，成像网格定义为5 m×5 m，将工作面进行网格剖分，在不加距离约束的条件下，最高射线密度达430次，大部分射线密度大于130次，而增加距离约束后，最高射线密度达140次，大部分射线密度约80次以上。总的射线密度降低了，但从成像结果来看，在增加距离约束后的CT成像结果异常形态更聚焦、更清晰，正是因为提高了有效射线数量、减少了远道对槽波异常产生干扰的原因。根据槽波CT成像中的异常特征，结合巷道实见断点解释工作面内部沿巷道走向的隐伏断层5条和与工作面斜交的断层4条，对于靠近巷道的异常考虑是由于施工时机械和人为干扰造成，未予解释。

图6 槽波CT成像结果及构造解释

2.4 验证情况

本工作面开采15号煤层，上覆11号煤层(距离15号煤层约40 m)已开采完毕，将其开采过程中实见断层根据倾角向下进行地质推测，其推断位置如图6b红色所示，其推断位置与槽波解释断层位置吻合较好，说明该断层在空间上已延伸到15号煤层，说明增加距离约束后，槽波CT成像结果更可靠。

3 结论

a.通过理论分析，确定槽波在1.5 m煤层中的有效传播距离为300 m，以此为约束条件对山东某矿的槽波资料进行CT成像，显示采用槽波最大传播距离约束CT成像的方法是可行的，断层解释精度较高，位置可靠，为矿区安全开采提供了基础地质数据。

b. 该方法与常规衰减系数成像相比，能够减小介质吸收衰减因素的影响，突出构造因素形成的槽波异常，克服了衰减系数成像方法在薄煤层中的受限问题。

c.受槽波传播距离的影响，有效射线密度降低，规模较大的走向断层会对成像结果产生较大影响，且对于垂直工作面走向的断层难于识别。

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Detection technique and application of transmission in-seam wave in thin coal seam

YANG Hui

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an710077,China)

Aiming at the problem of serious attenuation of channel wave in thin seam and its limited distance of propagation, a method of restricted CT imaging was proposed by using the furthest in-seam wave propagation distance. Firstly, the variation of in-seam wave frequency with different thickness of coal seam was studied by theoretical derivation. Taking a 1.5m thin seam as the main research object, the attenuation characteristics of channel wave were simulated by forward modeling, and the effective propagation distance of channel wave was determined. The actual data of No. 15 coal seam in a coal mine in Shandong Province shows that the channel wave propagation distance is about 300 m. For the in-seam wave data of seam 15 in a coal mine in Shandong Province, the fault position interpreted from CT imaging using the technology coincided basically with that exposed by roadway. When processing the in-seam wave data of 1.5 m thick coal seam, with 300 m of propagation distance as the constraint condition to conduct the energy attenuation imaging on actual data, the channel wave CT imaging quality and interpretation accuracy were improved. This method takes into account the propagation characteristics of channel waves in thin coal seam, reduces the influence of attenuation, and highlights the anomalies caused by structural factors. It is useful for the development and application of thin seam channel wave detection technology.

thin coal seam; transmission in-seam wave; energy attenuation; velocity filtering; fault; CT imaging

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.025

1001-1986(2020)03-0176-06

2019-10-22；

2020-05-07

国家重点研发计划课题(2018YFC0807804)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2019XAYMS28，2019XAYMS29)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS28，2019XAYMS29)

杨辉，1981年生，男，陕西蓝田人，硕士，副研究员，研究方向为煤田三维地震及矿井槽波地震勘探. E-mail：yanghui@ cctegxian.com

杨辉. 薄煤层透射槽波探测技术及应用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：176–181.

YANG Hui. Detection technique and application of transmission in-seam wave in thin coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：176–181.

(责任编辑 聂爱兰)