槽波地震“透射-反射”联合法在回采工作面地质构造探测中的应用

2021-04-01赵璐璐李东亮窦文武

山西煤炭 2021年1期

赵璐璐,李东亮,焦阳,窦文武

(1.山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司,山西长治 046605; 2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西晋城 048006)

华北煤田地质条件较复杂,断层、陷落柱等地质构造分布广泛、发育众多,还存在相互伴生的情况。地质构造不但破坏了煤层与围岩的原始结构关系,还极易在煤层承压区域形成导水通道,诱发透水事故。因此,回采工作面内地质构造的准确探查对保障煤矿安全高效生产十分关键[1-4]。

槽波地震勘探具有传播距离远,抗干扰能力强,异常分辨率高等优点,是当下备受关注的物探方法之一。但是,以往的槽波探测观测系统布置方法单一,异常圈定范围较大,且无法定性,容易造成误报或漏报。

因此,拟采用槽波地震“透射-反射”联合法进行采面地质构造综合探测,再结合相关地质信息、其他钻物探成果,进行综合解释,保证工作面安全回采。

1 槽波探测原理与方法

在煤层中激发的地震波以球面形式向周围扩散,部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层之中,不向顶底板岩层“泄漏”,在煤层通道中相互叠加、干涉,形成槽波,槽波地震勘探就是利用槽波来探查地质构造的一种地球物理勘探方法[5-7]。

1.1 槽波地震透射法勘探

利用槽波地震透射法进行勘探,炮点布置在工作面的一条巷道,检波器布置在工作面的另一条巷道,接收来自炮点激发的地震透射波信息,其方法原理如图1所示。

图1 槽波透射法勘探原理示意图Fig.1 In-seam seismic transmission method

透射法探测简单灵活,槽波数据处理与解释相对容易,不仅探测范围大且准确率高,还可为反射法数据处理和资料解释提供速度参数。实践证明,当夹矸厚度小于煤层总厚的30%时,对透射槽波无明显影响;当厚度为3.5 m左右的煤层,最大透距可以达到1 000 m以上。

1.2 槽波地震反射法勘探

利用槽波地震反射法进行勘探,炮点与检波器布置在工作面的同一条巷道内,接收来自工作面内地质构造(主要为走向断层)的地震反射信号,其方法原理如图2所示。

图2 槽波反射法勘探原理示意图Fig.1 In-seam seismic reflection method

受煤层厚度、断层落差、横向岩石物性差异、破碎带范围及槽波频率的影响,反射槽波的能量一般较弱。当煤层厚度中等、煤层夹矸厚度小于煤层厚度30%、断层落差大、断层面与煤层的夹角≥40°、反射界面走向与观测系统排列夹角小于30°～40°,并且透射槽波可提供可靠速度参数时,反射法探测范围为煤厚的100～200倍,探测落差大于1/2煤厚的断层较可靠。

2 槽波“透射-反射”联合法勘探实例

2.1 工作面探测方案

晋煤集团赵庄煤矿3311工作面顺槽长度1 060 m,工作面切眼宽250 m,开采3#煤层,平均厚度5 m。巷道掘进过程中,揭露1处陷落柱,另外,受三维地震勘探的局限性,采面内还可能赋存有其他隐伏性陷落柱、断层、煤体破碎区及应力集中区等。

因此,为精确查明3311工作面内部的地质异常情况,保障工作面安全开采,展开槽波地震“透射-反射”联合法勘探[8]。本次探测在33102巷及33111巷布置炮孔95个,炮孔间距20 m；在33102巷及33111巷布置检波器孔97个,间距20 m。具体布置方式如图3所示。

图3 3311工作面槽波观测系统设计方案Fig.3 Design of in-seam seismic observation system of No.3311 working face

2.2 槽波原始数据分析

图4为本次槽波透射法探测中比较典型的单炮记录。其槽波特征为:能量较强,速度较低，频率较高,埃里相特征明显,部分区域存在能量衰减。

图4 槽波透射法典型单炮记录Fig.4 Single shot record with in-seam seismic transmission method

图5为本次槽波反射法中比较典型的单炮记录。其槽波特征为:反射槽波到达时间在直达槽波之后,能量弱,速度低,另外,反射槽波的存在说明了探测区域内异常界面的存在,反之亦然。

图5 槽波反射法典型单炮记录Fig.5 Single shot record with in-seam seismic reflection method

2.3 槽波地震透射法勘探结果

槽波地震透射法包括速度分析和能量分析。

槽波速度法分析。通过采集数据格式转换、观测系统参数的加载、激发延时校正、滤波、自动增益控制、时频分析等处理流程,对透射槽波数据进行处理与分析,得出探测范围内的槽波速度,采用CT层析成像方法绘制速度云图,之后,根据速度层析成像图中速度变化特征推断地质构造及地质异常。

槽波能量法分析[9]。数据处理流程主要包括地震数据导入、观测系统加载、槽波数据分析、地震数据编辑、槽波数据批处理、槽波参数提取及能量衰减系数层析成像等。根据能量衰减系数层析成像图中槽波能量的变化特征,推断地质构造的发育位置和影响范围。

本次槽波透射数据采用能量法进行分析,图6为本次3311工作面槽波透射法能量CT成果图,暖色区域表示能量衰减严重区域,推断为地质构造及地质异常影响,结合巷道掘进过程中实际揭露构造情况及相关地质信息,共圈定一个异常区,命名为CBX1,推断为陷落柱影响所致。

2.4 槽波地震反射法勘探结果

槽波地震勘探数据处理基于SPW地震数据处理软件平台[10],主要包括如下处理流程。

1)数据录入。将本次采集到单炮记录输入SPW软件。

2)观测系统加载。依据炮点和检波器位置建立反射法观测系统,并加载至SPW软件。

3)延时校正。本次放炮采用的是一段雷管,存在0～35 ms的延时误差。

图6 3311工作面槽波透射法能量CT成果图Fig.6 Energy CT result of in-seam seismic transmission method of 3311 working face

4)增益和滤波。本次槽波主频集中在150～250 Hz,通过调用220 ms的AGC窗口进行增益,再利用相关滤波器进行处理,可以有效凸显反射槽波。

5)速度分析。通过直达槽波走时和偏移距的关系计算出本次探测区域槽波速度约1 100 m/s。

6)包络计算。强化相间地震道的相干性。

7)包络叠加。提高数据信噪比,突出反射震相界面。

8)时深转换和相移偏移。结合槽波速度及相关偏移算法归位异常位置[11-12]。

图7为本次3311工作面两条顺槽巷道的槽波反射结果对比图。图中巷道及异常界面的反射同相轴相对清晰,且异常位置近乎吻合,结合巷道掘进过程中实际揭露构造情况及相关地质信息,推断33102巷的反射界面CBF1和33111巷的反射界面CBF1为同一走向断层影响;33102巷的反射界面CBF2、CBF3和33111巷的反射界面CBF2为同一走向断层的影响;33111巷的反射界面CBF3为33102巷揭露陷落柱对槽波反射信号的绕射影响,为假异常。

(a)33102巷反射结果图

(b)33111巷反射结果图图7 3311工作面槽波反射法速度分析结果图Fig.7 Speed analysis of in-seam seismic reflection method of 3311 working face

2.5 综合探测结果分析

综合槽波“透射-反射”联合法探测结果,再结合采面相关地质资料,共圈定1个陷落柱(ZHX1)和2条走向断层(ZHF1、ZHF2),如图8所示。

图8 3311工作面槽波“透射-反射”联合法探测结果图Fig.8 Exploration result with in-seam seismic “transmission-reflection” method on 3311 working face

3 槽波“透射-反射”联合法探采对比

目前,3311工作面已回采结束,回采过程中,除揭露JX113陷落柱外,还揭露2条断层,f889(断距1～5 m)和f891(断距0.8～1.8 m)。回采揭露的陷落柱在透射成果中探测效果良好,陷落柱JX113(直径为30 m)的影响区域控制在ZHX1圈定范围内,控制陷落柱的影响区域整体偏差小于20 m;回采揭露的f889断层、f891断层的发育位置和延伸情况与ZHF1、ZHF2吻合程度较高。需要说明的是,走向断层的小断距(1.5 m以下)区间在槽波探测结果中反应不太明显。

综上所述,本次槽波“透射-反射”联合法探测结果与回采实际揭露情况基本相符,整体探测效果良好,不仅可以通过槽波透射法圈定出陷落柱及其影响范围,而且可以通过槽波反射法较准确地画出走向断层的发育方向和延伸范围,对矿井采面的安全回采具有重要指导意义。