槽波地震探测技术在雨汪煤矿1010201工作面的应用

杨庆朝

（四川省煤炭设计研究院昆明分院，云南 昆明 650051）

0 引言

我国煤矿资源储量丰富，但许多矿区位于地质条件较为复杂的地区，在煤矿实际开采过程中，工作面内断层、薄煤区、裂隙带及陷落柱等构造的存在对煤矿作业形成了巨大威胁，由于该类地质异常体直接或间接导致的例如矿井突水、冲击地压等煤岩动力灾害占具绝对主要地位[1-2]。因此，探明工作面内地质异常体及隐伏构造和进行针对性治理工作是保证煤矿安全、高效生产的重要手段之一。目前矿井常用的物探方法有直流电阻率法、瞬变电磁法、音频电透视法及槽波地震探测法等[3]。其中，槽波地震探测法有受地形影响小、探测精度高、分辨率高及验证快等特点，是探明工作面内隐伏构造的有效方法，也是矿井地震探测中的重要方法之一。目前，槽波地震探测技术的理论基础较为完整，并且一度被列为煤炭部重点推广技术之一，写入了综采手册。

由于我国煤矿复杂，具有多样性，不同地质条件槽波地震探测施工和解释成果存在差异，因此限制了该方法的应用。基于这种情况，该文以雨汪煤矿1010201 工作面为研究对象，利用槽波地震探测技术对该工作面内断层、裂隙带及一定规模的地质异常体等进行超前识别，为工作面安全回采提供有效地质依据，也为该技术在其他煤矿的推广应用提供工程经验。

1 工作面概况

雨汪煤矿1010201 工作面以开采C2 煤层为主。该工作面长和宽分别约为2150m 和207m，工作面内含夹矸0 层～2 层，结构相对简单。其中煤层厚度平均约为1.13m，总体在0.12m～6.65m。层位稳定的薄～中厚煤层，单一结构，偶有一层夹矸，为半暗型，中～富硫煤，块煤为主，直接顶、底板岩性为泥岩砂岩，多为灰黑色泥岩及泥质粉砂岩。

2 槽波地震勘探技术原理

槽波地震探测技术是煤矿地震探测的一个重要分支[4]。在煤层地质中，把煤层看作一个低速的地震槽。槽波在煤层中激发地震波，以震源为中心向四周传播横波和纵波，并最终在同一煤层中接受。由于煤的物性特点，导致其弹性波传播能力一般弱于煤层顶和底板。因此在激发初始能量后，弹性波大部分能量不能向外传播，在煤层中经过多次透射、反射及叠加向前传播，然后迅速衰减，形成了槽波[5]，如图1 所示。

图1 槽波的形成原理示意图

2.1 槽波透射法探测

透射法是现阶段槽波地震探测体系中最基本有效的方法之一。其基本操作原理是分别将激发震源和检波器设置在两条不同的巷道，一条用于激发，另一条用于接收，在探测区域内形成密集射线；通过投射槽波的强弱来观测所覆盖区域的信号连续性。当探测区域内存在断层且落差大于煤厚时，信号会被完全阻断，通常无法接收到透射波；当断层落差约占煤层厚度的30%～70%时，部分信号会被阻断，所以接收至透射槽波的能量和速度会不同程度地变化，同时槽波具有很强的透射能力，通过前期研究可知，在厚度为1m～3.5m 的煤层中，槽波的最大透射距离可达1000m 以上，该方法也具有简单灵活、探测范围大及准确率高等优点。当施工时为了保证探测结果精确度，通常通过增大透射面积、多次反复透射并辅助CT 成像技术来圈定异常体的位置和范围[6]。

2.2 槽波反射法探测

槽波反射法是槽波地震探测体系中重要的组成部分之一。基本原理如下：当槽波在煤层传播时，如果遇到了具有波阻抗的分界面（地质异常体），便会激发反射槽波，通过这些反射槽波信号的显现形式和状态可以间接推断出地质异常体的位置。与透射法不同，反射法的激发真元和检波点均布置在同一条巷道，该方法可以探测识别煤巷两侧的小构造，有较高的应用价值，由于该方法的布置方式和探测特点导致应用存在局限，因此应根据探测需求来实施[7]。

2.3 滑行波勘探原理

滑行波勘探主要是从槽波探测资料中提取底板的信号信息，从而达到对隐伏构造识别的目的。通常，全波场槽波包括实际接收槽波、横波和滑行波，当波场在煤层中传播时，可通过分析速度来判断是否来自围岩滑行波（复合波）。当地震波在顶底板的传播速度和密度大于在煤层中传播时，会沿顶底板传播从而产生滑行波，且是P 波也可以是S 波。该方法主要在煤层中激发且在顶底板中接收单炮记录，也可以接收到信号较强的折射S 波和P 波，如图2 所示。当滑行波传播遇到地质异常体时，其信号参量会发生显著变化（速度和能量等），基于以上因素并结合CT 成像技术，可以反演得到顶底板构造分布规律，从而达到探测目的[8]。

图2 滑行波传播示意图

3 探测布置与数据处理

3.1 工程布置

该槽波地震探测使用的仪器为YWZ11 型矿井防爆地震仪，该仪器具有测精度高、抗干扰能力强等特点，通过计算机处理反演后，能有效呈现工作面内地质构造情况，可以完全满足探测需求。该槽波地震波探测在1111201 工作面进行，探测范围分为两个部分：探测区域Ⅰ为轨道巷切眼处向外760m；探测区域Ⅱ为轨道巷CG1118 导向点至CG1125 导向点向里80m、胶带巷CJ1110 往里30m 至CJ1105 向外30m，长度570m，两个探测区域合计探测长度约为1.33km。探测采用双透+双反的观测方式，检波点道间距设置为10m，炮点炮间距设置为20m，激发孔深为2.0m，具体观测系统物理点参数见表1。

表1 槽波探测物理点统计表

在明确工程布置后，在现场根据运输、测量、打孔、安装检波器与仪器、放炮和收工的施工顺序有序进行。为了保证探测效果和施工方案，当打孔时按照图纸设计定位孔口，尽可能在煤层中央位置打孔，并记录特殊条件的调孔位置。同时，施工严格遵循《煤矿安全规程》及矿方相关安全规定，切断施工区域所有电路并采取相应安全措施。在施工后进行工作量和质量评述，设置一起采样间隔0.1ms，记录长度1.6s，发现所采集原始数据质量均较好，其中滑行波数据发育，槽波数据不发育，该部分施工质量统计见表2。

表2 施工质量统计情况表

3.2 数据处理

当槽波在煤层和顶底板传播中遇到地质异常体时，其特征参数就会发生改变（能量、速度和频率等），通过这些参数变化可以反演地质异常体。数据处理对取得理想的探测目的至关重要。该探测数据的处理与分析依托中国矿业大学地球物理研究所研制的《槽波地震数据处理解释系统ISSPro2022》。首先，根据实际激发震源和检波点在实际中的位置建立空间观测系统，然后初至矫正采集的数据，剔除空道、坏道及畸变数据；利用宽频带通滤波压制P 波和S 波，分离出不同类型的槽波，消除声波和工频干扰等异常信号；对信号进行几何扩散矫正和吸收衰减矫正，用高槽波信噪比对透射单炮和反射单炮进行记录处理；最后进行波场及速度分析合能量的对比分析，通过CT 成像技术进行透射法和反射法成像，得出CT 成像图并进行资料解释[9]。

4 探测结果分析

当槽波地震探测应用于工作面构造解释时，常以浅部滑行P 波能量CT 图为解释基础。综合分析矿井前期地质资料和已掘区域的情况，该工作面槽波地震探测共圈定7 处异常区域，如图3 所示。

图3 探测区域Ⅰ滑行波能量CT 图

4.1 探测区域Ⅰ

图3 为探测区域Ⅰ滑行波能量CT 图，共发现4 处异常区域。其中异常区1 位于靠近轨道巷和工作面的切眼附近，异常区2 位于CJ1118～CJ1121 导线点附近，矿井地质资料显示，两处存在多条断层，且该处单炮记录中发现两处的滑行波能量存在明显变弱趋势，推断异常区1 和异常区2 为底板断层裂隙发育带；异常区3 位于探测区域Ⅰ中CG1107 导线点附近，且该区域滑行能量波存在小范围的异常响应特征，推断该处受到已揭露断层影响，也可解释为底板断层裂隙发育带；异常区4 位于探测区域Ⅰ南部，该处滑行能量波存在大范围异常响应，且前期地质资料显示该区域有大断层显现，推断该处为底板断层裂隙强发育带，受断层影响显著。

4.2 探测区域Ⅱ

图4 为探测区域Ⅱ滑行波能量CT 图，共发现3 处异常区域。由图可知，异常区5 位于探测区域Ⅱ的切眼附近，该处滑行波能量存在较大范围的异常响应，且该处有大断层存在。而异常区6和7分别位于探测区域Ⅱ轨道巷CG1123～CG1123导线点和CG1123～CG1123 导线点附近，但两处滑行波能量异常响应范围较小，可以推断，异常区5 为断层裂隙强发育带，异常区6 和7 为断层裂隙发育带。

图4 探测区域Ⅱ滑行波能量CT 图

5 结论

该探测共划分为两个区域，其中，探测区域Ⅰ采集的滑行波数据较强，透射槽波和反射槽波较弱；探测区域Ⅱ采集的滑行波数据较强，透射槽波一般，但反射槽波较弱。

采用槽波透射法联合反射法，对1010201 工作面内的煤层构造进行反演，通过CT 成像技术，圈定7 处地质异常区域并给予解释。通过打钻和后期揭露发现，7 处地质异常区域均与前期解释成果较为吻合，说明该槽波地震探测有效，可以为其他相近地质条件的矿区提供探测思路。