槽波法在贺西井田4号煤层中的应用

2022-12-11梁鹏林

当代化工研究 2022年21期

＊梁鹏林

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿资源地质部山西 032000）

前言

井下含煤地层主要为沉积岩，包括泥岩、砂岩（粉砂岩、细砂岩等）和灰岩等，其中煤层顶底板多以泥岩、砂岩或灰岩为主，井下煤层与周围岩层相比，煤层具有速度低、密度小的特点。围岩的地震波纵波速度VP值位于3.0～4.8km/s，横波速度Vs值位于1.6～2.8km/s，密度ρ值位于2.4～2.8g/cm3，煤层的地震波纵波速度VP值位于1.8～2.4km/s，横波速度Vs值位于0.9～1.4km/s，密度ρ值位于1.3～1.4g/cm3。根据以上数据分析可得，在煤岩层剖面中，会形成一个以煤层为中心的相对低速槽[1]，煤层与周围岩层之间的密度和速度的比值大约为1.5～3.0，煤层与其顶底板的上下界面存在一个非常强的波阻抗分界面。以上为煤层中槽波能够发育和形成的煤层与围岩之间的物理性质特征条件。

在井下地层地质剖面中，煤层相对顶底板围岩是一层典型的相对低速度的软弱夹层，在物理特征中可构成一个波导，当在煤层中人工激发了地震体，地震波的一部分能量会在煤层与顶底板界的反射界面形成多次反射，当发生多次全反射时，地震波能量被禁锢在煤层及邻近的岩层中，导致其能量不能向围岩继续辐射，以上情况中的各种地震波（纵波、横波及面波等）在煤层槽中进行相互叠加与干涉，最终可形成一个强的干涉扰动，即为槽波，槽波是以煤层为波导，岩煤层槽向前传播。以上即为槽波形成的完整过程。

本文以贺西井田2417工作面4号煤层及顶底板物性特征为例，经过试验采集地震波数据，采用频散[2]分析等技术识别槽波的频率及速度特征，并对2417工作面进行实际探测，进而分析总结槽波法的实际应用效果。

1.槽波地震勘探方法

槽波地震勘探[3]方法属于井下物探技术方法的一种，其具有良好的发展潜力，且目前在实际生产中应用较广。该方法的技术特点有勘探距离远，对地质异常体的分辨精度较高，现场不受电力设备的干扰，最终成果表达方式直观，主要是用来探测工作面测区范围内的断层、煤层结构变化、陷落柱发育范围、褶曲变化等地质异常体。

目前槽波勘探方法的基本观测方式有三类：透射法、反射法及透+反射联合勘探法。本文中实际测试时主要采用槽波透射勘探法。槽波透射勘探方法实际探测时，震源一般采用炮震激发，接收点使用60Hz左右的速度检波器进行接收，观测系统布置时炮点与检波器排列需分别布置于工作面的不同巷道内，即在工作面内的上巷（下巷）炮震激发下巷（上巷）接收。数据处理与资料解释时，需先识别炮震激发透射地震波的透射槽波，然后根据透射槽波的强弱，根据槽波能量的衰减强度来判别工作面内是否存在地震异常体，一般煤层连续时槽波能量强且槽波能量轴呈连续状发育，当遇到地质构造时槽波能量减弱且槽波能量轴出现错断。最后根据多次迭代重建技术进行CT成像，确定槽波能量衰减时穿过地质异常体的位置及范围。

2.试验性探测

(1)地质概况

2417工作面位于二采区西翼，底板标高为694～770m，地面标高为962.7～1102.5m。起于4#辅助皮带巷，止于西侧井田边界。由2417回风联巷（33m）、2417进料联巷（67m）、2417材料巷（1181.8m）、2417运输巷（1335.5m）、2417切割巷（180.5m）、2417辅助材料巷（154.1m）、2417小切眼（65.8m）构成。北侧为34K4，东侧为大巷保安煤柱，南侧为2416回采工作面，西侧为井田边界，靠近金家庄煤矿，上部为2317采空区。2417工作面上部西北720～1356m范围为薛家岭旧村（已搬迁），东南方向为薛家岭瓦斯发电站。

本工作面在山西组4#煤层中掘进，根据钻探资料及井下实测资料，地质构造简单，基本呈单斜构造及次一级的褶皱构造，倾向NW。根据上部及周边巷道揭露地质情况，预计在2417工作面掘进过程中揭露断层情况如下：

（1）F41断层：预计材料巷560m位置揭露，正断层，落差3m，倾向290°，倾角60°；

（2）F42断层：预计材料巷630m位置揭露，正断层，落差1.5m，倾向255°，倾角15°；

（3）F57断层：预计运输巷1210m位置揭露，正断层，落差1.2m，倾向185°，倾角76°；

（4）F45断层：预计运输巷300m位置揭露，正断层，落差2.3m，倾向246°，倾角25°。

(2)煤层概况及地球物理条件分析

本次试验性探测地点选取贺西煤矿4号煤层2417工作面，工作面开采贺西井田4号煤层，煤层平均厚度4.25m，煤结构：1.20(0.25)2.80，夹矸为泥岩。煤层顶底板详情见表1。

表1 煤层及顶板详情

2417工作面直接顶板和直接底板均为较坚硬砂质泥岩，其中直接顶平均厚度8.49m左右，直接底平均厚度5.16m左右，4#煤层平均厚度4.25m左右，煤层有一稳定厚度（0.25m）夹矸。根据以上煤层及顶板详细结构分析，2417工作面煤层与其顶底板围岩的物性（密度、速度）差异较大，煤层与顶底板围岩的波阻抗差异较明显。综合分析，煤层与围岩间的界面，呈现为良好的地震波反射面，有利于槽波在煤层中传播。

(3)现场布置

2417槽波勘探试验采用槽波透射观测系统，共布置两条测线，分别为（1）运输巷和小切眼炮震激发材料巷与辅助材料巷布置接收测线；（2）材料巷、辅助材料巷和切割巷炮震激发运输巷接收测线。本次槽波勘探控制运输巷自停采线至切眼口长1260m、材料巷自停采线至切割巷口长1100m、辅助材料巷长154.1m、切割巷长180.5m，小切眼长65.8m左右范围。现场勘探时炮间距采用20m，道间距采用10m。

运输巷和小切眼炮震激发材料巷与辅助材料巷布置接收测线布置炮点时分别对应运输巷0、2、4……126测点位置；小切眼炮点按照20m炮间距进行布置，分别对应小切眼1、3、5测点位置；对应材料巷与辅助材料巷按照10m间距布置接收检波点，自0～126结束，共计127接收检波点。

材料巷、辅助材料巷与切割巷炮震激发运输巷接收测线布置炮点时按照20m炮间距进行布置，材料巷与辅助材料巷常规炮点对应材料巷与辅助材料巷0、2、4……126测点位置；切割巷炮点按照20m炮间距进行布置，分别对应切割巷1、3、5……17测点位置。对应运输巷按照10m间距布置接收检波点，自0～126结束。共计127接收检波点。

(4)槽波数据分析

本次槽波数据分析主要通过原始数据对比查看与频散分析确定槽波的发育程度，为后续槽波资料处理及解释提供一定参考。图1为本次工业性试验槽波S34炮单炮数据记录，图2为S34单炮记录中42道数据的频散分析结果图。从单炮原理记录中可以看出4号煤层槽波能量发育，横波欠发育，纵波横波叠在一起，综合分析，试验区域采用槽波勘探方法有利于槽波的识别与提取。从频散分析结果可知，槽波埃里相在100Hz附近，速度800m/s左右，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近，能量轴清晰，其噪声成分主要在0～40Hz范围以内，有利于槽波提取。

图1 槽波勘探S34炮单炮记录

图2 槽波勘探S34炮42道频散分析

(5)槽波资料解释与验证

槽波透射法的数据处理主要包括：数据加载、预处理、建立观测系统、初至校正与拾取、能量补偿、频散分析、槽波提取、槽波能量衰减反演、CT成像等。经过槽波透射法数据处理流程可得到槽波透射能量衰减系数成像图，见图3。资料解释时，首先将槽波透射勘探重的能量衰减系数[4]CT成像结果图与所探测工作的两巷巷道实测地质剖面进行对比分析，沿巷道实测剖面中逐点对比其与巷道实际揭露的煤层、岩层、地质构造的对应程度。如果巷道为全煤则CT成像图中的能量衰减系数相对较低，如果受到断层、陷落柱等地质构造发育或煤层变薄影响的巷道为全岩或半煤岩时，其能量衰减系数会相对增大。通过以上方法进行对比，可分析、总结与验证能量衰减系数CT成像图正确与否，当能量衰减系数CT成像结果与巷道实测煤岩性、地质构造发育位置基本对应时，CT成像图用于对工作面面内地质构造的解释。同时，通过槽波透射能量衰减系数CT成像图与巷道实测剖面的对比，能够总结出工作面内断层、陷落柱、褶曲、煤层变薄带等不同地质构造异常的能量衰减系数发育特征，确定槽波透射勘探重对异常的划分标准。最后，根据以上总结出的的异常划分标准，之后可以根据工作面中两巷道的走向宏观划分槽波能量衰减系数异常区，分析槽波异常区的表现形态和特征，如小范围离散状、条带状、面状等，沿煤层倾向或沿巷道走向；之后，通过进一步分析能量衰减系数与能量衰减变化特征，在细节上分析异常区的分布形态，并推断其引起异常变化的地质因素。

图3 槽波勘探能量衰减系数CT成像图

根据以上原则，本次槽波透射探测试验共解释2处异常区，见图3中的①和②位置处的区域范围。在①异常区内工作面材料巷揭露的F41和F42断层、运输巷揭露的F45断层，结合该资料综合分析，推断解释①异常区为断层导致的煤层破碎、煤层变薄等因素影响；在②异常区内未揭露地质构造，结合贺西矿为高瓦斯矿资料综合分析，推断解释②异常区为受瓦斯富集影响导致的应力集中影响所致，异常区内煤岩体破碎。

经过工作面回采验证，本次槽波勘探的②异常区范围内受断层影响煤层变薄，正常煤层平均厚4.25m左右，煤层最薄区域1.8m左右，与槽波探测结果基本吻合。