槽波地震勘探技术在山西寿阳段王煤矿中的应用

王志斌，张海波

（1.山西寿阳段王煤业集团有限公司，山西晋中 030600；2.新疆邢美矿业有限公司，新疆巴音郭楞蒙古自治州841000）

段王矿在巷道掘进及工作面回采过程中，频繁遇到陷落柱、断层等地质构造，由于煤层厚度有限，断层或陷落柱等构造会把煤层部分或完全断开，给回采工作带来一定的安全隐患，造成不必要的经济损失，因此，在090606 工作面回采前采用井下槽波地震勘探技术对工作面内部进行探测，找出隐伏构造存在的区域，提前制定相关安全技术措施，减少由其造成的安全隐患和经济损失。

1 井下槽波地震勘探原理

1.1 槽波地震勘探的物理基础

煤矿井下槽波地震勘探技术是近年来在煤层中识别隐伏地质构造的常用方法之一。具有测距大、分辨率高、不受电场干扰等优点。

在地层当中，一般情况下煤层相对于其它岩层是一个相对低速层，理论上会形成明显的“波导”。由爆炸产生的能量以地震波的形式在煤层中传播，由于煤层顶底界面阻挡这些能量大部分被禁锢在煤层当中。煤矿井下槽波地震勘探技术就是利用煤层中的这些导波来探测煤层不一致性的一种常用方法。煤层中槽波传播示意图如图1 所示。

1.2 勘探区地球物理特征

根据施工区域煤层及顶底板岩层的密度、P 波以及S 波速度、煤厚变化及构造等已知资料，计算槽波的频散及振幅分布曲线，来测算槽波的传播速度、频散特性以及振幅分布情况，为前期设计、施工、以及后期资料处理分析提供指导。

根据已施工工作面实际资料，最终确定090606 工作面为对称三层模型，平均煤厚4.2 m，煤层横波速度850 m/s，围岩密度2.6 g/cm3，煤层密度1.4 g/cm3。

通过槽波模型计算结果得到图2 的模型，可以看出090606 工作面槽波的埃里相群速度约为850 m/s，频率约为140 Hz，能量中心位于煤层中心。

图2 090606 工作面煤层理论槽波频散曲线及其振幅深度分布Fig.2 The coal seam theory in-seam wave dispersion curve and its amplitude depth distribution in No.090606 Face

1.3 透射法槽波地震勘探介绍

煤矿井下槽波地震透射法施工时，炮点与检波器在不同巷道内布置。炮点在一条巷道内激发，检波器在对面巷道中接收透射槽波。检波器通过数据线将接收到的数据传到主机，经过后期处理，根据接收到槽波的有无或强弱，来判断探测区煤层内部有无断面。当断层断距比煤厚大，透射槽波被完全反射，理论上检波器完全接收不到槽波；当断层断距比煤厚小，槽波被部分阻断，检波器接收到的槽波能量比正常槽波能量要小。

后期室内利用CT 成像技术，可以比较准确的圈定出施工区域内的地质异常分布及影响范围。煤矿井下槽波地震透射法施工简单、对异常敏感、分辨率高，在煤矿井下煤层隐伏构造探测中得到广泛应用。

此次090606 工作面槽波勘探采用透射法，透射法施工示意图如图3 所示。

图3 透射法施工示意Fig.3 Construction of transmission method

2 槽波地震资料采集

2.1 工作布置及工作量

依据探测目的和巷道环境条件，此次槽波勘探沿090606 回风巷里帮布置炮点，沿090606 皮带巷里帮布置检波点，测量工作面长645 m，分里、外两部分测量（图4）。

图4 090606 工作面槽波地震勘探工作布置示意Fig.4 The arrangement of in-seam wave seismic exploration work in No.090606 Face

外段设计炮点30 个（S1 ～S28、S30、S32），炮点距10 m，S1 距回1 导向点20 m。设计检波点24 个（G1 ～G24），道间距15 m，G1 位于2 号导向点30 m。现场测量实际激发点29 炮，S27 为强制激发，药量300 g/炮，检波点24 个。

里段设计炮点27 个（S29、S31、S33 ～S57），炮点距10 m，里段设计检波点24 个（G21 ～G44），道间距15 m。现场测量实际激发点27 炮，药量300 g/炮。检波点24 个。

090606 工作面共布设炮点57 个，检波点44 个。

2.2 参数选择及噪声分析

2.2.1 激发条件

（1） 炮孔位置。位于煤层中部，距底板约1.2～1.6 m，炮孔深度约2 m，垂直煤壁稍向上倾斜，炮孔直径为φ42 mm，炮孔位置误差小于0.5 m。

（2） 药量。考虑到槽波能量的吸收、逃逸、衰减以及地震波的几何扩散，同时放炮不能对巷道内设施造成破坏，故采用单孔药量300 g。雷管采用同一批次、同一型号的，炮孔的封孔长度为80 cm。

（3） 炮点技术要求。在煤壁中间位置钻孔时，如遇顶板破碎、硐室位置等突发因素影响时，可以在附近选取适当位置作为炮点，但移动范围不能超过技术要求，且要做好现场记录。钻孔要布置在煤层中，钻孔方向要顺着煤层且稍向上倾斜，以便于清孔；装完炸药后要使用炮泥封孔，炮泥用量要符合规范要求。

2.2.2 接收因素

（1） 仪器：德国DMT 公司Summit ⅡEx 槽波地震仪。

（2） 检波器：采用德国DMT 公司生产的高灵敏度双分量检波器。

（3） 采样率：125、250、500 Hz，1、2、4、8、16、32、48 kHz。

（4） 瞬时动态范围≥120 dB。

（5） 共模抑制比≥100 dB。

（6） 全谐波畸变＜0.0008%。

（7） 前置增益0、20、40 dB。

（8） 接收点技术要求：检波孔处于煤层中间，深度2 m，垂直煤壁向煤层内钻孔，且向上稍微倾斜，以便于清孔，检波孔孔径为55 mm，平面误差不大于0.5 m。检波器的安置方向要求平行于煤层走向及煤侧壁，且所有检波器的方向要一致。

2.2.3 井下环境噪声分析

在检测好仪器以及通讯系统后，要确认数据采集系统能正常工作；工作期间要杜绝其它震动源，以防对地震数据采集造成影响。如果震动噪声不能避免，要进行详细记录，以便后期数据处理过程中加以消除。

根据以往井下槽波地震勘探施工经验和090606 工作面的实际情况，此次透射法槽波地震勘探基本采集参数：炸药量为300 g（±10 g）、炮孔深度为2 m（±20 cm）、封孔炮泥不少于80 cm，炮孔要布置在距巷道底板1.2 ～1.6 m 处的煤层当中。

图5 ～图7 为此次施工期间采集的单炮槽波记录，可以看出直达P 波、S 波、槽波能量较大，发育清晰，噪声较小，数据质量基本满足技术要求。

图5 090606 工作面外段S1 炮点实测记录Fig.5 The S1 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

图6 090606 工作面外段S15 炮点实测记录Fig.6 The S15 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

图7 090606 工作面外段S30 炮点实测记录Fig.7 The S30 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

3 井下槽波地震勘探结果分析

3.1 资料处理

此次槽波地震勘探数据处理采用美国SPW 地震数据处理软件，处理主要流程为：数据转换—重采样—道头计算—记录编辑—滤波—频散分析—速度分析—CT 成像。

图8 为不同煤层厚度的理论频散图，纵坐标为群速度，横坐标为频率。从图8 可以看出，对于090606 工作面平均煤厚4.2 m 的煤层，若煤层结构和厚度稳定，Airy 震相的群速度一般为800 ～900 m/s，频率在150 ～170 Hz。这也是090606 工作面槽波地震槽波速度CT 解析的基本依据。

图8 不同煤厚的槽波频散分析示意Fig.8 The in-seam wave dispersion analysis of different coal thickness

3.2 资料解析

图9 为090606 工作面槽波地震勘探速度CT成像分析图，从图9 可以看出，090606 工作面内煤层的槽波速度一般＜1000 m/s，总体上比较均匀。说明工作面内煤层相对稳定，连续性较好。

图9 090606 工作面槽波地震勘探速度CT 成像分析图Fig.9 The in-seam wave seismic exploration velocity CT imaging analysis diagram in No.090606 Face

图10 为090606 工作面槽波地震勘探成果图，从图10 中可以看出，在工作面回风巷和切眼揭露的陷落柱X636、X638、X639、X643 位置波速有明显的变化，波速相对较高，均大于1000 m/s。

图10 090606 工作面槽波地震勘探成果图Fig.10 In-seam wave seismic exploration results in No.090606 Face

相比之下，工作面内存在2 处相对明显的隐伏高速异常区域。

1 号异常区（DX4）：异常特征非常明显，大小约40 m×90 m。异常区域覆盖测线较密集，延展位置误差相对较小，异常可靠。

从里段S12 炮点和S5 炮点对应该异常区域附近的接收点的频散曲线（图11） 和地震波形（图12） 形态可以清楚看出，穿过异常区的射线的频散特征明显较差，甚至没有明显槽波信号。

图11 1 号异常区频散分析Fig.11 Dispersion analysis of No.1 abnormal area

图12 里段S5、S12 炮点记录的地震波形Fig.12 Seismic waveform recorded by S5 and S12 shot points

2 号异常区：异常特征非常明显，大小约40 m×60 m。由于靠近测区边缘，异常区域覆盖相对较少，延展位置误差相对较大，但异常可靠。

从外段S8 炮点和S6 炮点对应该异常区域附近的接收点的频散曲线（图13） 和地震波形（图14） 形态可以看出，穿过异常区的射线的频散特征明显较差，甚至没有明显槽波信号。

图13 2 号异常区频散分析Fig.13 Dispersion analysis of No.2 abnormal area

图14 外段S6、S8 炮点记录的地震波形Fig.14 Seismic waveforms recorded by S6 and S8 shot points in outer section

综合以上分析，工作面内圈定的2 个隐伏异常区异常特征明显、可靠。

DX5 异常分析：从外段S30 炮点和S24 炮点对应该异常区域附近的接收点的频散曲线（图15）和地震波形（图16） 形态可以清楚看出，穿过异常区的射线的频散特征较好，波速较低，在800 ～950 m/s，说明煤层的连续性较好，没有明显异常存在。

图15 DX5 异常区频散分析Fig.15 Dispersion analysis of DX5 abnormal area

图16 外段S24、S30 炮点记录的地震波形Fig.16 Seismic waveforms recorded by S24 and S30 shot points in outer section

DX6 异常分析：从外段S15 炮点和S11 炮点对应该异常区域附近的接收点的频散曲线（图17）和地震波形（图18） 形态可以清楚看出，穿过异常区的射线的频散特征较好，波速较低，在900 ～950 m/s，说明煤层的连续性较好，没有明显异常存在。综合以上分析，DX5、DX6 异常区槽波异常特征不明显，说明2 个异常区不存在。

图17 DX6 异常区频散分析Fig.17 Dispersion analysis of DX6 abnormal area

图18 外段S11、S15 炮点记录的地震波形Fig.18 Seismic waveforms recorded by S11 and S15 shot points in outer section

此次段王矿090606 工作面槽波地震勘探工程共布置放炮点57 个，检波器点44 个，完成工作面长645 m。经后期资料的处理、分析得出：

（1） 此次090606 工作面槽波地震勘探现场实测数据质量较高、有效，地质效果明显。

（2） 依据槽波探测资料，工作面内圈定2 个隐伏构造异常区，异常区可靠。

（3） 依据槽波资料分析，DX5、DX6 异常区不存在。

3.3 后期验证结果

090606 工作面经回采验证所圈定2 处异常均为工作面内隐伏陷落柱（无水），且异常分布、延展方向及影响范围与回采情况一致度较高；由地面三维地震圈定的DX5、DX6 异常区不存在，充分说明井下槽波地震勘探技术适用于段王煤业集团有限公司9 号煤层顶底板为砂岩的地质结构，有非常好的应用效果。

4 结语

通过段王矿090606 工作面所施工完成的井下槽波地震勘探工作来看，井下槽波地震勘探技术在对该矿回采工作面内部隐伏地质构造探测上的可信性和精确度较高，能够精准的测量出090606 工作面内部隐伏地质构造（陷落柱、断层等） 的分布、延展方向及影响范围，减少了因此所造成的资源、工期及人身财产损失，保障了090606 工作面的安全回采。