透射槽波方法在中厚煤层隐伏小断层探测中的应用

闫晓萌

（山西焦煤霍州煤电店坪煤矿，山西 方山 033199）

店坪煤矿较大断层、褶皱等异常体发育稀少，但煤层围岩中发育的隐伏小地质体是回采时潜在的安全隐患。三维地震虽说探测较大构造方面效果不错，但落差较小地质体却不尽人意。以店坪煤矿9-206 回采面为例查明小型地质异常体，深入研究槽波CT 成像技术方案，为其他工作面打好基础。

1 工程概况

本次实验场地选在店坪煤矿即将准备回采的9-206 工作面。该工作面位于830 m 水平南翼，西与830 南翼轨道巷相通，向东延伸到矿界煤柱线，向南延伸至环城高速煤柱线，向北接壤9-204 掘进面。工作面上部为实体煤，围岩层级很稳定。本次物探需对9-206 工作面内地质构造发育情况进行探查。采用槽波地震勘探方法，查明9-206 工作面内小型构造发育情况。根据工作面回采长度计算与实际需要，9-206 工作面两顺槽探测长度均为900 m。

2 透射槽波勘探原理及方法

在传播介质相对恒定、成分相对简单的煤层中，透射槽波往往以平稳的方式传播，当传播介质发生变化时，例如煤层断开、前方出现陷落柱或煤厚发生变化的时候，槽波的传播频率、能量衰减等相关技术参数就会因此而出现变化。

煤层相较其他岩层，波阻抗界面优势突出，同时煤层介质传播速率很低。实际应用中，在煤巷设计位置激发不同程度的地震波，从激发点开始，波体会以不同的角度透射到煤岩分界面而发生全反射，这些反射波又相互交织，最后锁在煤层中，同时以低速率在煤介质中横着传播，这种波就叫做槽波。

槽波具有透射距离远、受周围环境波动较小、查明位态相对精确的特点。槽波的有效直线大约是煤层厚度的300 倍。在实际应用中，分别在被探测回采面的两顺槽中布置等间距的炮点阵列以及等间距的检波器。槽波在煤层传播时信号会发生不同程度的衰减，如果槽波全部透过煤层层位，说明煤层完整，无异常情况；如果只有部分槽波透过煤层，说明煤层中有落差小于煤层厚度的小断层；如果完全不能接收槽波，说明煤层中有落差大于煤层厚度的构造。因此，该透射方法所激发的槽波直达信号，在现场始于震源，穿过煤层巷道，终于设计接收点，然后根据相关地质资料、现场环境和检波点位置推断地质构造位态及产状情况。

3 槽波可视化成像方案设计

透射槽波探测方案是对检波点接收到波体的有价值传播信号，通常采取层析影响方法[1-2]，求得所探测煤层相关物理性质参数，然后将煤层中存在的隐伏地质异常体有效可视化成像。在槽波透射探测各类技术方法中，根据波体振幅变化情况研究可视化槽波模型，不同的构造影响就会产生不同的衰减系数，系数值越大说明受构造的影响程度也就大，也意味着该处存在地质异常体。具体计算公式如下所述。图1为槽波可视化示意图。

图1 槽波可视化示意图

假定此时在第j处激发，第i检波点接收的槽波射线，假定此波体穿过格网媒介的遇阻常数设α1、α2、……αn，激发点j所发射的包格振幅为βoj，检波点i接收槽波包格振幅为βj，传经格网的始终距离设Lij，则：

式（3）即为振幅衰减系数矩阵方程。以上述为基础，如果应用CT 成像方法，则计算衰减系数矩阵方程中，震源振幅aoj被振幅比值bj所取代。这样能够更简便地求解方程。当下最常用的算法是应用art、asrt、sirt 等求解衰减系数矩阵方程，该文通过使用代数联和重建方式（sart）。这种方法能够对art 的误差进行有效修正，联和代数重建方法产生的结果不清晰性和收敛拟合较慢等劣势被最大程度地抑制。sart 的具体计算公式如下：

式中：αj属第j个色点的振幅常数；Rij属第j个色点对第i个波体投影常数；K属迭代次数；Ei属投影误差。

在某个特定透射方向上，与第j个像素重合的全部扫描光束均要进行求和（为i代表），全部像素(k)jα均修正完成，此时就会修正待测场的估算数据αj。在这个过程中作为联合修正参数的依据是在某个像素中有特定扫描角的全部扫描投射线的投影误差。 所以应用art 算法所产生的模糊性能够被有效地遏制，并且sart 算法每次迭代计算过程都涵盖了全部透射信息。由此看出，sart 的收敛速度相较于art 表现更为出色，同时重建精度也较优。

4 中厚煤层工作面透射槽波构造探测应用

4.1 槽波勘探情况

本次实际应用在店坪煤矿830 南翼9-206 工作面，该试验选在切巷往巷口方向约900 m 区段，走向长度245 m。本矿区煤层均较为稳定，平均煤厚为3.0 m，煤层顶底板均以砂岩、砂质泥岩为主。该地质条件非常适合试验透射槽波勘探技术。对9-206 工作面掘进期间揭露的地质构造以及相邻采面的回采情况进行分析得知该回采面在回采时很有可能揭露隐伏地质构造。

4.2 探测方案布置

依据9-206 面煤厚和槽波透射技术理论，9-206面透射槽波空间距离可达 3.0×300=900 m，工作面倾向距离长小于900 m，所以探测装置无需作另外的设计，就能在两顺槽内任何地点接收到巷道内任何地方所激发的槽波。

本次探测采用槽波透射法观测系统。即在一条巷道布置发射，另一条巷道布置接收，如图2。

图2 槽波测点布置示意图

9-206 工作面槽波透射探测共布置32 个炮点，编号S1～S32，94 个检波点，编号G1～G94。9-2061巷发射，9-2062 巷接收。

炮点：自9-2061巷20号点前9 m至切眼至9-2062巷方向向前进行布置，并垂直布置在9-2061 巷掘进方向左帮腰线，共布置32 个炮点，即S1～S32，炮点间距30 m，切眼间距20 m，孔深均为2 m。

检波点：自9-2061 巷4 号点前68 m 至切眼至9-2062 巷方向向前进行布置，并垂直布置在9-2061巷掘进方向右帮腰线，共布置94 个检波点，即G1～S94，检波点间距均为10 m。

4.3 槽波探测数据成图分析

本次设计高密度射线能够全覆盖待测空间，初始槽波信息捕捉完成后，因为初始波体信息能量太大，而槽波的场能较小，这时如果不能采取适当的波频进行有效过滤，以增强槽波能量，如图3（a），成像效果就会大打折扣，如图3（b）。

假如回采面中煤层比较稳定，夹矸厚度小，围岩岩性大体一致，槽波就会在工作面大范围内传播且衰减小、易被捕捉，假如工作面发育断层、陷落柱或其他地质异常区时，槽波就会迅速衰减，甚至消失。本文对9-206 采面部分记录进行研究，结果如图4。在图中可以清晰地看到槽波迅速衰减，可以判断出槽波传播途中遭遇断层等其他构造阻挠了能量等额传播，由此结合前期收集的地质资料和现在的能量衰减推断是由隐伏断层造成的影响。

图 3 9-2061 巷s10 炮点激发9-2062 巷G60-G70 检波点接收的槽波数据

图4 检波点接收槽波数据异常显示

4.4 槽波成像

4.4.1 9-206 工作面P 波透视物探异常分析

从工作面P 波传播规律知，P 波主要沿煤岩界面附近传播，相对煤层内部的槽波，煤岩交界处的P 波表现为速度快、能量弱的特征。9-207 工作面槽波勘探P 波能量CT 成像图，图中浅白色为相对P波速度大，黑灰色为速度相对小。本次P 波透视共圈定2 处速度高值异常区，如图5。

图5 P 波能量CT 成像图

4.4.2 采用振幅衰减系数CT 成像方法对槽波进行成像处理

在图6 中，不同深浅的色标表示槽波传播衰减常数的大小，浅白色代表衰减数值大，接收槽波透射反馈回的场能较小，表明这个范围中煤层结构完整性不好，推断可能发育断层构造，而深黑灰色代表衰减常数小，收集透射槽波的场能大，表示这范围中煤层结构完整性好。在图6 中发现的异常区分布如条带状，透射的槽波场能发现只有很少量。说明这范围内发育有断层落差稍微小于煤层厚度的小型断层构造。但是目前槽波勘探技术理论的发展还不足以准确探测断层落差大小，仅仅可以依托该煤层厚度推断断层大致发育的规模。

4.4.3 实际断层揭露与探测成果吻合情况

在该试验范围中煤层厚度约为3.0 m 的地质条件下，可以推断出断层的落差大致为2.5 m，在槽波吸收系数最强处可以确定为是该断层的发育位置，即图6 中的浅白色和深黑灰色的地方。实际在该回采面推至地质构造异常范围内正好揭露一条贯穿整个工作面、断距约为2.3 m正断层，实际验证了断层揭露情况与透射槽波探测结论大体一致，从而说明槽波探测地质构造是非常有效的。

图6 工作面槽波衰减系数成像图（曲线表示断层）

5 结论

煤层稳定单一采面中发育的地质构造对透射槽波探测技术反应灵敏，勘察准确度很高，该种技术特别符合采面中小陷落柱、小型断层等其他异常区域的探查。经过对槽波透射过程中场能变化特点的分析，能够看出槽波可以有效识别采煤工作面中围岩构造位置及产状情况，加之搭配槽波地震可视化成像计算模型演算收集的地质数据，槽波可视化成像效果很好，同时很方便地分析出围岩构造的位态。在探测中、厚煤层回采面小型隐伏地质构造中应用这种方法，波体传播过程中衰减强度以像素颜色递变情况呈现出地质构造发育范围。本次成果验证了槽波在探测回采面较小的地质异常体方面具有较好的推广应用价值。