复合煤层中夹矸对槽波探测解释断层落差的影响

苏晓云

复合煤层中夹矸对槽波探测解释断层落差的影响

苏晓云

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

槽波地震勘探技术在探测工作面内部断层、陷落柱发育情况、煤厚变化等方面已经取得较好的应用效果，现已成为井下地质构造探测的首选方法。但对于含夹矸的复合煤层地质构造的探测，槽波方法还存在一定的问题，为研究复合煤层中夹矸对槽波地震探测中断层落差解释的影响，通过建立不同的数值模型进行正演分析，并选取山西某矿复合煤层进行槽波探测试验。研究结果表明：复合煤层中的夹矸对槽波探测解释断层落差有较大影响，夹矸的厚度与煤层差异较小时，槽波探测解释断层落差时的单位煤厚标准应为复合煤层的总厚度；差异较大时，单位煤厚标准应为激发接收层的单一煤层厚度。研究结果可为槽波实际资料的解释、分析提供参考依据。

复合煤层；夹矸；槽波探测；断层落差；单位煤厚

矿井物探在工作面采前精确查明隐蔽致灾地质因素以保证安全生产方面具有重要作用，其中，槽波地震探测技术因不受煤矿井下铁磁物质的影响，具有探测距离大、精度高等特点[1-5]。目前，透射槽波法、反射槽波法及多波多分量等方法在探查煤层中地质构造方面，已经进行了广泛的应用，槽波方法也已成为超长超宽大型工作面内地质条件探测的首选方法[6-9]。

复合煤层一般是指因沉积或后期构造活动造成的层间距较小的两层或多层煤层组，具有煤层间距离较近的地质特殊性，复合煤层开采时会造成一系列顶板、瓦斯等安全问题[10-13]。复合煤层含地质构造时，更需对其进行提前探测，但复合煤层中上下组煤之间的夹矸(上下组煤之间的薄顶、底板)对槽波等物探探测效果有一定影响。宋玉平等[14]利用数学模型方法对大同侏罗纪煤田所有的15个煤层进行槽波频散和振幅分布的研究，发现煤层夹矸厚度对槽波频散曲线和振幅分布有一定影响；荣晓伟[15]对含夹矸煤层槽波频散特性及影响因素进行了分析，发现槽波频散特性受夹矸厚度、位置以及速度变化的影响较大；匡伟等[16]通过对夹矸厚度、速度、位置等变量的模拟，研究了等厚情况下“岩–煤–岩–煤–岩”构成的复合煤层的Love型槽波频散特征。目前，前人对复合煤层中槽波发育规律的研究已取得一定进展，但都尚处于理论研究阶段。

根据槽波地震探测原理，煤层中激发的地震波，被制约在顶底板的二维空间中传播，P波、S波经煤层顶底板多次全反射，互相叠加干涉形成槽波，因此，煤厚对槽波的传播性质具有决定作用。而根据槽波成像结果解释断层落差时，一般采取单位煤厚(目标层煤层厚度)的标准来进行半定量的判定，通常将断层落差表示方法分为3类：≤1/2煤厚、1/2煤厚＜≤煤厚、＞煤厚。当探测区域的煤层厚度不同时，所能探测的断层落差也相应变化。复合煤层中由于夹矸的存在，槽波是仅被制约在复合煤层中的激发接收这一煤层内，还是在总的复合煤层之内尚不确定，故单位煤厚(目标煤层厚度)的标准无法确定，断层落差的解释也就无法确定。因此，研究复合煤层中夹矸对槽波探测解释的影响对断层落差的精准判断具有重要意义。为此，本文拟通过对复合煤层中夹矸厚度、岩性不同的模型进行正演模拟和对比分析，得出复合煤层中槽波的发育特点；并选取适当的试验点，采集井下地震波数据研究复合煤层中夹矸对槽波探测地质构造精度的影响，从而为槽波实际资料的解释、分析提供参考。

1 不同厚度夹矸的模型正演

槽波地震数值模拟方面目前已有较充分的研究，姬广忠等[17]和程建远等[18]采用高阶交错网格法模拟了Love型槽波的波场发育特征，并对煤矿井下槽波进行三维数值的模拟研究；皮蛟龙等[19-20]采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟，研究不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律。复合煤层中夹矸对槽波传播规律的影响也需要首先通过建立复合煤层的三维数值模型进行正演模拟，模拟方法采用高阶交错网格法。图1所示为槽波探测含断层的复合煤层模型剖面示意图，图2为其平面示意图。

图1 含断层的复合煤层槽波探测柱状示意

图2 含断层的复合煤层数值模型平面

槽波地震探测中，与断层落差最相关的是单位煤厚。煤层厚度不变的情况下，复合煤层的厚度会随着夹矸厚度的变化而变化，但单位煤厚是否会随着夹矸厚度而变化暂未确定，因此，首先建立以夹矸厚度为变量的三维数值模型进行研究。

模型中通过设置一个落差等同于激发接收煤层厚度的正断层，以此确定夹矸对槽波的影响。当正演结果中槽波无法穿过断层，夹矸被视为激发接收单一煤层的底板，单位煤厚标准的选择应为激发接收煤层的厚度。反之，如槽波可以绕过断层，通过夹矸及下组煤层传播到接收点一侧，夹矸被视为复合煤层的一部分，单位煤厚标准应为复合煤层总厚度。

首先，建立以夹矸厚度为变量的3种复合煤层模型(model 1—model 3，图3)：选择砂岩作为顶底板，厚度一般远超煤层厚度，为20 m。上组煤层(目标层)厚度一般选择槽波发育较好的4~6 m煤层厚度，为5 m；下组煤层的厚度为2 m；夹矸选择常见的泥岩夹矸，厚度按照上组煤层厚度的1/2进行划分，依次为2、3.5、5 m。模型中斜穿工作面的断层落差与上组煤层厚度相同，为5 m，模型中上组煤层被该断层全部断开。模型参数见表1，相应的单炮记录及槽波衰减系数成像结果如图4所示，研究表明：

图3 不同厚度夹矸的地层柱状

表1 不同厚度夹矸模型参数

3个模型中，经过断层的位置均发育有不同程度的槽波，说明槽波在上组煤激发时会绕过断层，通过夹矸及下组煤层传播到对面巷道的接收点一侧，夹矸此时被视为复合煤层的一部分，单位煤厚标准的选择应为复合煤层的总厚度；

从model 1—model 3，夹矸厚度从2 m变化到5 m时，复合煤层的总厚度从9 m变化到12 m，槽波激发接收的上组煤层(厚度5 m)，占复合煤层总厚度比值从0.56减小到0.42，槽波发育程度逐渐减弱；

槽波衰减系数成像结果显示，夹矸厚度从2 m变化到5 m时，3个模型成像结果都能识别出断层的位置，即复合煤层的夹矸厚度变化对槽波探测断层影响较小。

由此可知，当夹矸为泥岩时，夹矸被视为复合煤层的一部分，槽波可以正常穿过，且夹矸的厚度变化对槽波探测断层的影响较小。

图4 不同厚度夹矸的单炮及断层成像

2 不同岩性夹矸的模型正演

除煤厚外，单位煤厚是否会随着夹矸岩性而变化可通过不同夹矸岩性的三维数值模型进行研究。在三维数值模型中，夹矸岩性变化需要通过其物理性质的不同来进行表示，与槽波最相关的物理性质为地震波波速，即夹矸岩性不同地震波波速不同，因此，建立表2所示物性参数的3种模型。模型中同样设置一个落差等同于激发接收煤层厚度的正断层，来研究夹矸岩石对槽波的影响。

不同岩性3种模型(model 4—model 6)剖面图如图5所示：选择砂岩作为顶底板，厚度为20 m，上组煤层厚度为5 m，下组煤层厚度为2 m，夹矸厚度为3 m，夹矸岩性选择泥岩、砂岩和泥岩(含砂)3种，泥岩(含砂)的速度为泥岩纵波速度的上限。斜穿工作面的断层落差为5 m，相应的单炮记录及槽波衰减系数成像结果如图6所示，研究表明：

model 4和model 5中均有槽波发育，但model 5中槽波的发育明显要弱于速度更低的泥岩夹矸模型。由此可知，当夹矸岩性接近煤层时，夹矸被视为复合煤层的一部分，槽波可以穿透。

表2 不同岩性夹矸模型参数

图5 不同岩性夹矸的地层柱状

model 6中，经过断层的部分，槽波完全不发育，无断层区域槽波也非常弱。由此可知，当夹矸岩性与煤层差异较大时，夹矸被视为单一煤层的底板，槽波无法穿透。

由此可知，夹矸岩性接近煤层时(p＜3 200 m/s)，地震波在传播时，会将上下组煤层和夹矸的复合煤层当成一个整体，在断层未全部断开的部位继续传播。当夹矸岩性与煤层差异较大时，槽波形成的二维空间变成了砂岩顶板和夹矸之间的空间，槽波判断构造的单位煤厚标准也即上组煤单一煤层的厚度。

3 复合煤层槽波探测实例

为验证正演模型结果准确性，在山西临汾某矿3123工作面开展复合煤层槽波探测试验，该矿地质特征满足复合煤层的特点。3123工作面开采石炭–二叠系山西组(P1)2号煤层，煤层厚度5.7~6.8 m，平均厚度6.0 m。煤层顶板为中细粒砂岩。3123工作面2号煤层下距3号煤层较近，为0.80~2.5 m，3号煤层平均厚度1.0 m。2号煤层和3号煤层中间夹矸为泥岩和砂质泥岩，厚度平均约3 m，地层柱状如图7所示。工作面掘进时切眼附近揭露一断点落差为3 m的断层。探测施工在2号煤层中进行，检波器及激发点均布置在2号煤层的巷道侧帮上，道间距10 m，共200道。震源由300 g矿用乳化炸药激发，炮孔深度2.8 m，安装炸药后孔口用炮泥封堵，炮间距20 m，共120炮。激发点和检波点尽量靠近巷道中部。地震仪选用YTZ3型矿井防爆地震仪，采样率4 kHz。该矿槽波发育较好，所采集的原始数据质量较高，折射纵波、横波、槽波信噪比均较高，原始单炮数据如图8所示，单炮记录显示，有槽波减弱的区域，但仍然有部分槽波可以穿过。成像结果如图9所示，探测结果显示，工作面内部可能存在一延展较长的断层。

根据单炮记录，过断层位置处可见部分槽波可以穿透，常规成果解释时，可能会做出断层落差小于2号煤层厚度(6 m)的判断，即＜6 m。但通过本研究成果，综合分析该矿地质情况，2号、3号煤层距离仅3 m，为典型的复合煤层，且复合煤层夹矸为泥岩，岩性与煤层接近，故槽波解释时的单位煤厚标准应为复合煤层的总厚度10 m，而非2号煤层厚度的6 m。因此，本次槽波解释断层落差为5 m＜＜10 m。经回采验证，该断层落差约6 m，最大处落差8 m(图9中洋红色点位处)。

图6 不同岩性夹矸的单炮及断层成像

图7 3123工作面地层柱状简图

图8 3123工作面单炮记录

图9 3123工作面槽波探测成果

4 结论

a. 复合煤层中夹矸厚度对槽波探测解释断层落差影响较小，夹矸厚度只影响槽波的发育程度。

b.复合煤层中夹矸岩性对槽波探测解释断层落差影响较大。当夹矸岩性接近煤层时，地震波在传播过程中，会将上下组煤层和夹矸的复合煤层当成一个整体，在无断层部位继续传播。当夹矸岩性与煤层差别较大时，此时，槽波判断断层落差的单位煤厚标准为上组煤单一煤层的厚度。

c.依据槽波成像结果解释断层落差时，需结合已有的地质资料分析夹矸与煤层及顶底板围岩的岩性差异，合理选择单位煤厚标准，参照地震记录中槽波振幅衰减情况综合分析断层落差。另外，夹矸厚度大于煤厚时对复合煤层中槽波的发育造成的影响，在后续工作中还需进一步研究。

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Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration

SU Xiaoyun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The channel wave seismic exploration technology has achieved relatively reliable result in detection of faults, collapse columns and the change of coal thickness in working faces, now becomes the preferred method for detection of underground geological structures. But for detection of geological structures in partings of composite coal seams the method has still certain problems. In order to study the influence of partings in composite coal seams on detection of channel wave seismic exploration, various models were built by changing thickness, lithology of parting in composite coal seams and experimenting with channel wave seismic detection in Shanxi to study how those parameters influence the exploration precision of channel wave seismic. The results show that the partings of composite coal seams have big influence on interpretation of fault throw by channel wave seismic detection, when the difference between the parting thickness and the seam thickness is smaller, in interpretation of fault throw, the unit coal thickness standard should be the total thickness of a composite coal seam, when the difference is bigger, the unit coal thickness standard should be the thickness of a single seam for a stimulating and receiving layer. The achievements can provide a basis for seismic data interpretation and analysis.

composite coal seam; parting; channel wave seismic exploration; fault throw;the unit coal thickness

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.026

1001-1986(2020)03-0182-06

2019-10-16；

2020-01-15

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(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807804)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS29，2019XAYQN02)

苏晓云，1988生，男，陕西神木人，硕士，助理研究员，从事地质及煤田地质的研究工作. E-mail：suxiaoyun@cctegxian.com

苏晓云. 复合煤层中夹矸对槽波探测解释断层落差的影响[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：182–187.

SU Xiaoyun. Influence of parting in composite coal seam on interpretation of fault throw by channel wave seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：182–187.

(责任编辑 聂爱兰)