井下槽波地震勘探技术应用研究

蒋权 周忠国 李田平 张孟军 刘建

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0.引言

绿水洞煤矿地质条件极其复杂，大小断层、陷落柱等构造极为发育，矿井采用阶梯平硐开拓，+530m及以上水平开采完毕，开采过程中遇到断层、陷落柱严重影响工作面正常布置，给开采带来极大难度。随着开采深度增加，构造越发育，地质条件越复杂。大型断层及褶皱等构造通过勘探及补勘已基本探明和控制，并在生产过程中已经确认，在工作面布置时通过各种方式将大型构造对回采的影响降至最低。对综合机械化采煤造成较大影响的往往是小型构造（如落差1m以上的断层），构造段瓦斯剧增，治理难度加大。由于落差较小的断层及小型岩溶构造等不易被探测出来，对工作面回采造成影响，急需采用新的探测技术探明煤层构造情况，减小对回采的影响[1-3]。

1.技术方案选择

利用已有地质、钻孔成果、测井成果、实验室分析成果、三维地震勘探成果，从构造导致煤层波动力学特征变化地质地震响应为切入点，基于透射、反射槽波、研究工作面构造的发育特点及规律，提高工作面内不同分布形态的构造槽波探测的分辨能力，指导生产实践。

1.1 矿井地质条件的调研与分析

研究试验区的地质条件、上覆地层及其顶底板岩性、采掘情况（通风方式、工作面布置形式、采掘速度、采煤工艺、季节和气候等），分析试验矿井构造分析情况。

1.2 槽波正演模拟

根据工作面地震条件情况，针对大倾角、多夹矸与薄互煤层、顶底板及松软特征煤层建立相应的数值模型，并进行槽波模型参数的正演数值模拟，研究槽波的传播特征分析，槽波频散特征分析等，指导实际数据的波场识别，为下一步研究提供依据。

1.3 槽波多属性反演技术

从正演模拟数据和实际的采集数据出发，综合考虑槽波属性的数学、物理及地质意义，依据矿井槽波多属性反演技术实现煤层与围岩波速、密度、泊松比、弹性模量等部分地球物理参数的反演。

1.4 工作面隐伏构造槽波地震探测技术

在采煤工作面进行槽波地震探测实验，结合地质和采掘工程验证，利用探采对比结果对处理与解释方法进行优化，最终形成一套适合绿水洞煤矿地质特点的槽波地震探测方法。

2.试验地点概况

3121工作面地面位于高粱坪附近，地形为缓斜坡地形，南高北低。工作面井下位于龙王洞背斜东翼南312采区，东面为3112工作面及3114工作面，均已回采；西面为3124工作面。3121工作面走向长度为1500m，倾向宽度为110m，主采煤层为龙潭组下部K1煤层。煤厚2.30m～3.10m，平均煤厚为2.80m。根据巷道掘进资料，该工作面以合成煤为主，局部煤层分岔，煤层为半暗半亮型焦煤、焦肥煤，夹矸2～4层，属较复杂结构煤层，煤层中部有一层0.07m的高岭石夹矸，在井田内比较稳定，厚度变化小，为井田内煤层对比的标志层。标志层以上有一层夹矸，厚度为0.05m～1.80m，厚度变化较大，岩性为钙质泥岩、泥岩、砂质泥岩和砂岩，硬度系数f为4～6，当夹矸厚度大于0.5m时，将煤层分为上下两层，下分层煤层厚度为1.0m～1.6m；上分层煤层厚度为0.8m～1.1m。3121工作面为单翼构造，受龙王洞背斜影响，岩层倾角向深部逐渐增大，据现有巷道揭露资料分析，工作面煤层倾角大，两巷道中风巷高程远大于机巷，煤层倾角可达27°～55°。

3.槽波地震探测关键技术

3.1 槽波数据分析

在估算出3121工作面围岩与煤层纵横波速度等参数后，根据槽波频散公式计算槽波的频散曲线，求出各频率上槽波的速度。煤厚2.8m的槽波埃里相在230Hz附近，槽波在3121采煤工作面发育一般，大部分能量分布均集中150Hz～290Hz，槽波速度集中在1200m/s附近。

3.2 槽波能量衰减系数层析成像

首先，按照3121采煤工作面探测区大小分别建立一个X方向820m，Y方向110m的模型，网格大小为3m×3m。即模型X方向274个，Y方向37个点，每个点代表一个3m×3m的煤层的平均槽波振幅或波速；然后对采集到的数据进行滤波，从中求出槽波从每一个激发点激发后，传播到每一个接收点的时间，即每条射线的传播时间。将所有射线的传播时间代入到CT算法中，进行迭代求解，最终得到此模型上每个网格点的能量分布。蓝色（冷色）区域代表槽波能量正常穿透区，该区域槽波能量相对较强，表明工作面内部构造相对简单；红黄色（暖色）区域代表槽波能量低穿透区或未能穿透，该区域槽波能量相对较弱，表明工作面内部可能有较大的构造存在。从成像结果可以看出，工作面内部存在多处能量明显异常区域，结合现有的地质资料，表明工作面内部存在多处异常构造。

3.3 反射槽波偏移成像

在对反射槽波进行增强处理后，由于本次槽波探测3121工作面内条带状陷落柱的存在，与巷道倾角大，很难找到陷落柱的反射面，因而对工作面数据进行分段处理，采用成像算法分别对3121工作面槽波探测区进行反射槽波CDM成像，成像速度1250m/s。反射槽波成像结果中，蓝色区域为正常区域，红黄色条带为异常区域，一般对应着巷道、断层、陷落柱的反射面。通过对异常区域的针对性精细处理，并结合成像区域内反射槽波单炮记录，可以确定反射界面的相对准确位置及形态。由于本工作面煤层倾角较大，条带状陷落柱与巷道接近垂直，因此工作面中段的陷落柱发育区CDM反演成像的成果效果不佳，该区域解释还需充分结合透射槽波成果及现有地质资料。

4.现场工业性试验及实施效果

4.1 工程布置及工作量

在充分研究矿井相关地质资料的基础上，以急需解决的地质任务为前提，结合GeoCoal槽波地震数据处理系统，经过计算测试，认为采用全排列采集方案可最大限度地接收有效数据，故最终采用了全排列的采集方案进行数据采集。本次槽波探测区位于3121工作面风巷、机巷走向长度810m范围（自巷口40m～850m），总测线长度1620m。槽波探测沿机巷、风巷布置激发点和接收点。3121工作面接收点与激发点布置如下：（1）接收点布置：接收道距10m，共布设接收点162个；（2）激发点布置：激发点距10/20m，共布设激发点121个。因风巷炮孔S150、S151塌孔与硐室处S104、S130未打孔，最终实际爆破117个，其中风巷76个，机巷41个。槽波探测施工共采集槽波有效数据117个，布设接收点162道，测线总长度累计1620m，采集数据全部合格，满足探测要求。

4.2 资料采集方法

实际施工中检波器对接到巷道锚杆露头上，与锚杆耦合良好；激发点孔深3.0m，方向顺煤层垂直于煤壁，药量0.2kg。每个激发点激发，所有的接收点均接收。数据采集的采样间隔为0.25ms，记录长度2s。检波器与仪器之间用测线连接，固定到巷道侧帮煤层中部的锚杆上。3121工作面机巷煤层位于巷道顶部，风巷煤层位于巷道底部，测线布置完成后，激发前其他人员撤离到安全地带，由爆破工负责激发。所有激发点激发完毕，回收全部设备后，结束井下数据采集。3121工作面采集到的槽波地震数据评级结果为：甲级品114张，占97.4%；乙级品3张，占2.6%。

5.结语

（1）槽波探测3121采煤工作面为复杂结构煤层，煤层倾角大且局部存在夹矸，且由于工作面内发育与巷道成大倾角条带陷落柱，反射界面不好界定，探测反射槽波发育一般。（2）槽波地震探测技术目前尚无法对槽波异常进行准确定性，对槽波解释的异常体进行验证。由于物探反演结果本存在多解性，所得结果可能存在一定的误差，需要对CX1与CX2边界进行打钻验证。（3）需要重点关注槽波异常区，在回采前对3121（Ⅱ）采煤工作面槽波解释的异常区采取钻探相互验证，保证回采顺利进行。