槽波地震勘探技术在采煤工作面构造探测中的应用

张国恩

（国家能源集团神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017205）

西部是我国煤炭主产区，煤炭产量占我国70%左右，并且随着中东部煤炭开采逐步进入深部，开采条件愈来愈复杂，比例还将不断上升[1-2]。目前，西部矿区煤炭开采工作面以综合机械化开采为主，建成神东矿区、宁东基地等大规模高强度煤炭集中开采区域，煤炭安全绿色高效开发是煤炭开发的主流模式。为实现煤炭资源安全高效开采，开展煤层地质构造精细化勘探，有助于减少安全隐患，为确定工作面开采工艺和参数提供基础数据支撑。不同学者针对工作面构造探测，开展了不同的技术研究，包括无线电波透视技术、电磁波CT 探测、地质雷达、等综合物探等技术，并成功于工程实践[3-9]。近年来，由于槽波地震勘探技术具有勘探距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征易于识别以及成果直观的优点，在断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、采空区及废弃巷道等地质异常探测，在工程实践中得到广泛应用[10-12]。但是由于各个煤矿所处区域不同，煤层赋存地质条件和构造差别太大，采用槽波地震勘探技术探测地质构造时，必须结合实际，制定可行的勘探工艺，确定科学合理的参数，以确保勘探成果符合要求。

以乌兰木伦矿12404 工作面地质构造探测工程为研究背景，全面分了12404 工作面地质资料，提出采用槽波地震勘探技术对工作面地质构造进行探测的技术方案，设计槽波地震工程布置方案，对工程技术参数进行优化，开展现场工程实践，对获取的数据进行处理和解释，得到断层等地质构造情况和参数，为工作面安全高效开采提供了基础支撑。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波形成和类型

煤层间波导现象是Evison 于1955 年在新西兰煤矿首次发现，1963 年德国人Krey 分别从理论和实践应用方面证明了煤层中槽波的存在，槽波传播时会形成有限的几种模式，具有很强的频散特性。

在含煤地层中，煤层速度和密度均低于顶底板围岩，因此煤层与围岩界面，一般呈现良好的反射面。在煤层中激发地震波，所激发的纵波、横波均以震源为中心，以球面体波形式向四周传播，并以不同的角度入射到顶底板界面，槽波形成原理示意图如图1。

图1 槽波形成原理示意图Fig.1 The diagrammatic sketch of channel wave formation

当入射角小于临界角时，大部分能量将透射到围岩之中，只有少部分能量反射回到煤层中，返回到煤层中的能量，在煤层中来回多次反射、透射而迅速衰减（漏失模式）；当入射角大于等于临界角时，则入射到顶、底板界面的地震波能量将全反射回到煤层，并在煤层中多次反射，最后禁锢在煤层之中（正常模式）。在煤层这个低速槽内向外扩散传播，其中上行、下行波在煤层中相互干涉、迭加，多数谐波成分相互抵消，削弱，而逐渐消失；只有满足一定条件的各种谐波，在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波，在煤层内不断向前传播，形成了槽波（煤层波）。

由于不同体波干涉，形成的槽波具有不同特点，将槽波分为2 种，槽波基本类型及质点振动如图2。

图2 槽波基本类型及质点振动Fig.2 The types of channel wave formation and particle vibration

1）瑞利型槽波（R 波）：由P 波与SV 波相互干涉形成，其质点是在垂直于煤层，包含射线的平面内作椭圆形逆行极化。

2）勒夫型槽波（L 波）：由SH 波干涉形成，其质点是在平行于煤层平面、垂直于传播方向的平面内作线性极化振动。

槽波同散频面波一样，可以直观地看成是平面体波在煤层与围岩界面上多次反射、折射和规则干涉的结果。在煤层中激发出地震波时，槽波沿着围岩-煤层-围岩地层结构传播，其波长与煤层厚度为同一数量级。由于围岩与煤层的速度比和密度比不同，在煤层的垂直距离上，槽波振幅是不同，由于低速地震槽和其直接条件的限制，槽波的振幅随着到震源距离的增加而产生衰减。

1.2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播导波，探查煤层不连续性，可以用于小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、采空区及废弃巷道等地质异常，具有勘探距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征易于识别以及成果直观的优点，尤其在勘探精度和距离上优于坑透等煤矿井下勘探方法，槽波透射法和反射法是目前应用广泛的2 种勘探方法。

1）槽波透射法。采用从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。激发点与接收点布置在采区周围不同巷道内，根据槽波有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常，同时，通过对正常透射槽波的分析，为反射法数据处理及解释提供参数等，勘探距离可达煤厚的几百倍，实际勘探最大距离1 600 m。槽波透射法勘探示意图如图3。

图3 槽波透射法勘探示意图Fig.3 The exploration diagrammatic sketch of wave seismic transmission method

2）槽波反射法。该方法有效波是反射槽波信号。如果槽波在煤层中传播遇到了煤层中的不连续体，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差异）的分界面，就会产生反射槽波信号。因此，识别出这些反射槽波信号就能直接判断出煤层不连续体的位置，激发点与接收点布置在同一巷道内，最大优点是可以在1 条煤巷中向两侧进行小构造的勘探。槽波透射法与槽波反射法是相辅相成的，联合应用效果较好。槽波反射法勘探示意图如图4。

图4 槽波反射法勘探示意图Fig.4 The exploration diagrammatic sketch of channel wave reflection method

1.3 地质构造的解释与评价标准

CT 技术是一种断层扫描的技术，根据物体横断面的一系列投影数据，通过计算机处理得到物体横断面的图像，从而得到物体内确切位置上的各物质物性的信息。槽波地震CT 是通过分析、观测地震波的运动学和动力学特征，获得沿射线路径上介质物性信息的重要方法。根据不同的研究目的，利用人工地震也可以借助于天然地震来获得不同条件地下介质的分层或构造图像，用来分析不同地质构造。

1.3.1 断层解释和评价

1）断层识别。根据透射槽波能量中断、变弱，结合成像结果中条带状形特征识别断层；也可通过反射槽波线型反射的出现来识别。

2）断层相对落差的判定。断层断距大于煤层厚度时，煤层被完全断开，则槽波无法穿透到达另一盘，造成槽波能量的迅速衰减；当断层断距小于煤厚但大于1/2 煤厚时，煤层没有被完全断开，煤层的上下盘之间仍有煤层连接，能量衰减的越多，则断层的断距也越大；当断层断距小于1/2 煤厚时，大部分槽波能够穿透断层，槽波的能量衰减较小，从中不易观察到断层的形态。

3）断层控制程度评价。①可靠断层：在单炮记录、图像上反映清晰的断层；②较可靠断层：在在单炮记录、图像上均有反映，但不够清晰的断层；③控制程度较差断层：只在单炮或图像上有反映，但不够清晰的断层。

1.3.2 陷落柱及其他地质异常体

根据透射槽波能量中断、变弱，结合成像结果中圈闭状特征识别陷落柱。也可通过反射槽波弧形短反射特征的出现来识别。陷落柱的控制程度分3种：可靠陷落柱、较可靠陷落柱、控制程度较差陷落柱，其评价方法与断层评价方法相同。

结合勘探区实际情况，对岩浆岩岩墙、挠曲、采空区等其他地质构造现象进行解释。根据其在单张图像上的显示特征，予以识别。其他地质异常体的解释与评价可参照断层、陷落柱的解释与评价方法。

2 工作面概况

乌兰木伦矿12404 工作面走向长度2 090 m，宽度290 m，工作面煤厚2.0～3.0 m，平均厚度2.4 m，煤层结构简单，倾角1°～3°。煤层厚度变化较大，井田内广泛发育，属于稳定煤层，煤岩类型为半暗型煤。煤层顶底板岩石的质量较好，岩体较完整，力学强度较低，以软弱岩石为主，岩石稳固性较差。

含煤地层是典型的层状结构，在垂直岩层方向上含煤地层之间的物性差异明显。在含煤地层中，与围岩相比煤层具有速度低、密度小的特点。煤层上下界面都是1 个极强的波阻抗分界面，并形成了以煤层为中心的低速波导层，煤层作为波导层对地震能量的致导水平在很大程度上决定于煤层与上下围岩波阻抗的差异大小。

本次槽波探测区域为12404 工作面切眼向主撤通道方向1 000 m 范围，查明探测范围内落差≥1/2煤厚的断层。通过探测该区域内是否存在地质构造，指导工作面开采工艺设计，确保安全高效生产。

3 工作面槽波地震勘探工程实践

3.1 工程布置和工作量

通过分析乌兰木伦矿相关地质资料，槽波勘探沿主运巷、回风巷和切眼布置激发点和检波点进行布设。经过计算测试，采用全排列采集方案可最大限度地接收有效数据。槽波勘探测点布置见表1。

表1 槽波勘探测点布置Table 1 Arrangement of in-seam wave exploration points

1）接收点：采用10 m 接收道距，沿主运巷、回风巷和切眼布置，共布置接收点249 个，测线长度2 480 m。

2）激发点：采用20 m 间距，沿主运巷、回风巷和切眼布置，孔深3 m，孔径42 mm，共布置激发点129 个。

3.2 施工工艺

实际施工中，将检波器对接到巷道锚杆露头上，与锚杆耦合良好；孔深3 m，方向垂直于煤壁，药量0.3 kg；每个激发点激发，所有的接收点均接收，数据采集采用西安研究院存储式无缆遥测地震仪（YTZ-3），采样间隔0.25 ms，记录长度2 s。

1）打孔要求和装药量。①严格按照施工设计布置测点，红色喷漆标示激发点位，白色喷漆标示接收点位，严格按照标定点位，定点打孔；②钻孔定位为巷道壁上方靠近顶板处，孔深3 m，孔径42 mm，垂直于煤壁方向；③所有钻孔在装入炸药之前都先将钻孔中煤粉排除干净，以便顺利将炸药装到孔底；④每孔炸药量0.3 kg，总炸药量38.7 kg。

2）现场工程量。本次12404 工作面槽波地震勘探共采集槽波有效数据共129 个激发点；测点布设249 道，测线总长度2 480 m，完成了设计工作量，采集数据经验证全部合格。12404 工作面槽原始数据如图5。通过对本次采集的原始资料进行检查，12404 工作面施工激发点检测记录表见表2，达到了本次探测的要求。

图5 12404 工作面槽原始数据Fig.5 The channel wave data of 12404 coal mining face

表2 12404 工作面施工激发点检测记录表Table 2 Test record sheet for construction excitation points of 12404 working face

3.3 数据处理与解释

槽波数据处理是对槽波数据进行有关的数学分析和计算，提高原始槽波数据的信噪比，并从中提取与解释目标有关的图像及数据信息，提高槽波勘探的精度，识别异常体性质及空间位置。

采用透射槽波及反射槽波相结合的方法分析处理，对探测区域内的构造情况进行了解释。通过综合分析，本次工作面槽波勘探共解释断层4 条。12404 工作面断层井下槽波探测构造解释图如图6。

槽波地震勘探数据解释表明，乌兰木伦矿12404 工作面含断层4 条，并得到了断层的走向及延展长度。各断层主要情况如下：

1）CF1断层。由主运巷导线点04y15 以西50 m位置向工作面内延伸770 m，落差大于煤厚，走向NW，反射槽波及透射槽波探测均有明显反应，控制程度较为可靠。

2）CF2断层。由主运巷导线点04y13 延伸至辅运巷导线点04H21 以西20 m，落差大于煤厚，工作面内延展长度约310 m，走向NNE，在透射槽波探测中反应明显，控制程度较为可靠。

图6 12404 工作面断层井下槽波探测构造解释图Fig.6 The channel wave data interpretation for 12404 mining face fault of Wulanmulun Coal Mine

3）CF3断层。由主运巷导线点04y20 以西30 m位置向工作面内延伸200 m，与CF1断层相交，落差大于煤厚，走向NNE，在透射槽波探测中反应明显，控制程度较为可靠。

4）CF4断层。由主运巷导线点04y19 以东50 m延伸至辅运巷导线点04H16 以东15 m，落差大于煤厚，工作面内延展长度约335 m，走向NNE，在透射槽波探测中反应明显，控制程度较为可靠。

本次勘探未发现其它地质异常。

4 结 语

1）采用采煤工作面槽波地震勘探技术，得到12404 工作面内有4 条断层，并无其他地质异常构造，进一步分析得到4 条断层的走向、落差、控制延展长度和控制程度等具体参数。

2）槽波地震勘探解释的得到的断层的延展长度仅是具有一定的不确定性，推测断层的平面摆动位置可能有存在偏差，在工作面回采过程中需要进一步对对槽波解释的断层进行回采验证。

3）由于12404 工作面煤层较薄，槽波地震勘探对小于1/2 煤厚断层的反映不明显，工作面内还可能存在小于1/2 煤厚断层，回采时仍需需要加强对监测。

4）在采掘生产过程中把槽波地震勘探解释成果验证情况及时进行总结，以利于对槽波地震资料所反映的各种地质信息进行进一步分析、研究，从而掌握本区的地质规律，使资料解释更加准确可靠，更好地为矿井采掘生产服务。