基于槽波透射法的極不穩(wěn)定煤層薄煤區(qū)精細(xì)探測技術(shù)

張東營，楊 培，王圣龍

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬472300；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

在煤礦生產(chǎn)過程中，煤層厚度變化會(huì)嚴(yán)重影響煤礦采掘部署、生產(chǎn)計(jì)劃，造成掘進(jìn)煤層厚度缺失、變薄等變化時(shí)，會(huì)造成局部不可采的面積損失，采煤含矸率增高，煤質(zhì)下降，因此對煤層厚度的變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的探測預(yù)判，將極大地提高煤礦的回采工作效率，煤層厚度的精確探測是影響煤礦的安全開采的重要因素之一，對于煤礦的采掘工作至關(guān)重要。為了更好地服務(wù)于安全生產(chǎn)，須準(zhǔn)確提供煤厚差異信息，針對煤厚探測現(xiàn)有的主要物探方法有無線電波透視法、地震法、雷達(dá)探測法，但礦井雷達(dá)屬于高頻電磁波，探測距離有限，無法滿足探測需求[1]。無線電透視技術(shù)探測距離遠(yuǎn)，雖然可以大致圈出煤厚變化區(qū)域，但是由于電磁波的反射和折射，薄煤區(qū)的探測范圍精度不到50%，難以圈定具體的薄煤區(qū)范圍，難以滿足回采工作的實(shí)際需求。

Evison 于1955 年在新西蘭首次于煤層中激發(fā)和記錄到了槽波[2-4]。煤炭科學(xué)研究總院西安分院引進(jìn)了SEAMEX 85 地震槽波儀及專用軟件ISS[5]，在全國各大礦區(qū)廣泛開展試驗(yàn)與方法研究，在陷落柱、斷層、采空區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造方面取得了一些有價(jià)值的科研成果[6]。義馬煤業(yè)集團(tuán)于2009 年從德國DMT 公司首家引進(jìn)了當(dāng)時(shí)世界上最為先進(jìn)的SUMMIT-ⅡEX 槽波地震儀，并將其應(yīng)用到義馬煤業(yè)集團(tuán)下屬礦井，取得了一定的探測成果[7-9]。但是國內(nèi)煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，施工技術(shù)難度大，難以取得對煤礦地質(zhì)構(gòu)造體的高精度探測和定量解釋。義馬煤業(yè)有限公司根據(jù)該礦區(qū)特殊的極不穩(wěn)定煤層，設(shè)計(jì)出一套針對極不穩(wěn)定煤層具體施工、數(shù)據(jù)處理及成果解釋的方法[10-15]，提出了利用槽波透射法探測煤層厚度的精細(xì)探測技術(shù)，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，取得了非常好的探測效果，為極不穩(wěn)定煤層薄煤區(qū)的精確圈定提供了解決辦法。

1 基本原理

1.1 Love槽波基本原理

煤層相對于巖層具有密度小，地震波傳播速度低的特點(diǎn)，煤層與頂?shù)装鍘r層之前形成一個(gè)較強(qiáng)的波阻抗分界面，地震波在煤層中激發(fā)并傳播，除部分向三維空間輻射外，其余能量在煤巖界面多次全反射被禁錮在煤層之中，在煤槽中相互疊加、相互干涉，形成槽波。煤層穩(wěn)定性、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造決定了槽波形成的質(zhì)量。槽波具有頻散現(xiàn)象，頻散特征中含有大量的煤層和煤巖分界面的構(gòu)造、速度和頻率等相關(guān)信息。穩(wěn)定煤層或者較穩(wěn)定煤層槽波能量強(qiáng)，頻散效應(yīng)明顯，不穩(wěn)定煤層或者極不穩(wěn)定煤層，槽波主頻向高頻或者低頻移動(dòng)，能量較弱，槽波信息難以提取識(shí)別。當(dāng)煤層結(jié)構(gòu)含有較多夾矸或者含有地質(zhì)構(gòu)造，會(huì)破壞煤層的連續(xù)性，槽波能量迅速衰減，導(dǎo)致頻散曲線不連續(xù)，接收不到穩(wěn)定的槽波信號(hào)。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

槽波透射法數(shù)據(jù)采集模式是在工作面的運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道分別布置檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)，利用炮點(diǎn)激發(fā)地震波，另外1 條巷道通過檢波點(diǎn)接收地震波，如果測區(qū)的地質(zhì)條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定，采用較大的道間距。如果測區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定，則采用較小的道間距。增加采集數(shù)據(jù)的覆蓋密度，提高探測精度，槽波透射法觀測系統(tǒng)如圖1。

圖1 工作面槽波勘探觀測系統(tǒng)Fig.1 Slot wave observation and observation system in working face

現(xiàn)在井下槽波常用的數(shù)據(jù)處理軟件有美國SPW，德國的ISS 等。以美國的SPW 為例，利用透射槽波的速度、能量及頻率等參數(shù)來反映煤層中的斷層、陷落柱、采空區(qū)和煤層厚度及其變化等地質(zhì)信息。通過SPW 軟件對槽波速度參數(shù)的提取，結(jié)合使用TomCat、Surfer 等軟件完成對槽波速度的層析成像。

1.3 頻散分析

Love 型槽波在煤巖模型中的傳播的頻散方程如下：

式中：υ1、υ2為頂?shù)装濉⒚簩拥腟 波速度，m/s；μ1、μ2為頂?shù)装?、煤層的剪切模量，MPa；ω 為角頻率，rad/s；cL為Love 型槽波的相速度；n 為振型階數(shù)；d 為煤層厚度的一半，m。

設(shè)置3 層模型頂板為細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層為無煙煤。選擇理論狀態(tài)測試出的巖層及煤層的密度及S 波速度。分別選取煤厚為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m 的煤層，對稱3 層模型地層參數(shù)見表1。

表1 對稱3 層模型地層參數(shù)Table 1 Stratigraphic parameters of the symmetrical three-story model

對該地層參數(shù)數(shù)據(jù)解析計(jì)算出3 層模型中不同煤厚對應(yīng)的基階振型槽波頻散曲線，Love 槽波頻散曲線與煤層厚度的關(guān)系如圖2。

圖2 Love 槽波頻散曲線與煤層厚度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the dispersion curves of Love groove wave and coal seam thickness

研究表明：煤層厚度的變化會(huì)引起槽波頻散特征的變化，煤層厚度越大，槽波主頻向低頻方向移動(dòng)，在同一頻率下槽波波速較低。在選定同一頻率時(shí)，煤層厚度和波速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。該模型中選定槽波頻率為185 Hz，1.5 m 煤厚的槽波波速為1 350 m/s，頻散曲線斜率最大，可以非常直觀的與1、2 m煤厚區(qū)分開，因此波速（1 350 m/s）作為1.5 m 煤厚在185 Hz 頻率下對應(yīng)的特征波速。

通過對特征波速值圈定的等值線區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的煤層厚度的定量探測。槽波主頻-煤厚-波速的對應(yīng)關(guān)系作為槽波透射法探測薄煤區(qū)的理論依據(jù)。

2 工程實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

義馬煤業(yè)鐵生溝煤礦位于偃龍煤田東端，地處河南省鞏義市境內(nèi)。礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層傾角大，賦存條件差，煤層賦存不穩(wěn)定至極不穩(wěn)定，煤厚變化大導(dǎo)致生產(chǎn)極為低效，嚴(yán)重制約煤礦的正常生產(chǎn)。槽波地震探測的測區(qū)位于鐵生溝煤礦12090 工作面，工作面走向長度為460 m，傾向長度為150 m。工作面頂板為細(xì)砂巖層，底板為砂質(zhì)泥巖層，煤層成粉狀，局部含夾矸，根據(jù)工作面掘進(jìn)過程中收集到的煤層揭露資料，煤層厚度最小低至0.2 m，最大處達(dá)到7.8 m，平均煤厚2.2 m，變異系數(shù)達(dá)到了73%，賦存極不穩(wěn)定。

該工作面煤層厚度小于1.5 m 的薄煤區(qū)是影響工作面回采效率的主要影響因素，前期由于工作面煤厚分布情況不明，導(dǎo)致先期回采部分多次盲目改造，因此需要探查清楚薄煤區(qū)分布情況。為摸清工作面薄煤區(qū)的分布情況，采用槽波透射法對工作面內(nèi)部進(jìn)行覆蓋探測。

2.2 槽波透射法觀測系統(tǒng)

為查明鐵生溝煤礦12090 工作面煤層厚度變化情況，圈定1.5 m 厚薄煤區(qū)具體分布范圍，采用德國產(chǎn)SUMMIT II Ex 型槽波地震儀對12090 采煤工作面采用透射法進(jìn)行槽波地震勘探，炮孔安裝在工作面回風(fēng)巷；檢波器孔安裝在工作面運(yùn)輸巷，工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層賦存條件較差，為保證探測精度，采用非均勻間距布置炮點(diǎn)及檢波器點(diǎn)，針對探測目標(biāo)區(qū)域布置密度較大。為避免破碎的頂?shù)装鍖φ鹪串a(chǎn)生干擾，特設(shè)計(jì)炮孔深度為6 m，使震源在實(shí)煤體內(nèi)激發(fā)。槽波勘探參數(shù)見表2。

表2 槽波勘探參數(shù)Table 2 Slot wave exploration parameters

2.3 層析成像

12090 工作面槽波勘探實(shí)驗(yàn)檢波點(diǎn)G2、G3、G7、G10、G12 因煤層過薄或位于巷道頂部，未能安裝；G24、G29 因檢波器孔塌孔也未能安裝，從原始數(shù)據(jù)來看，本次勘探采集的地震數(shù)據(jù)槽波信號(hào)微弱、埃里相缺失，質(zhì)量整體較差，S23 炮點(diǎn)槽波記錄如圖3。

圖3 S23 炮點(diǎn)槽波記錄Fig.3 S23 shot of groove wave record

經(jīng)處理之后部分?jǐn)?shù)據(jù)仍可辨識(shí)到低頻的頻散曲線，S23-G19 槽波頻散曲線如圖4。

根據(jù)單煤層條件下Love 型槽波頻散曲線與煤厚變化關(guān)系，1.5 m 煤厚槽波特征波速為1 350 m/s，拾取頻率為185 Hz，在測區(qū)范圍內(nèi)圈出的1 350 m/s特征波速等值線區(qū)共3 處，12090 工作面槽波速度分布圖如圖5。

圖4 S23-G19 槽波頻散曲線Fig.4 S23-G19 slot wave dispersion curve

圖5 12090 工作面槽波速度分布圖Fig.5 Slot wave velocity distribution of 12090 working face

2.4 驗(yàn) 證

根據(jù)槽波速度與煤厚的對應(yīng)關(guān)系，將槽波波速v=1 350 m/s 作為1.5 m 煤厚等值線，在測區(qū)范圍內(nèi)共圈出煤厚小于1.5 m 的薄煤區(qū)3 處，12090 工作面槽波預(yù)測煤厚與實(shí)際揭露對照如圖6。

1）E1 薄煤區(qū)位于回風(fēng)巷切眼口向內(nèi)176 m 和切眼回風(fēng)巷口向下86 m 范圍，對正?；夭纱嬖谟绊?。

2）E2 薄煤區(qū)在運(yùn)輸巷切眼口向外136～175 m范圍，其向工作面內(nèi)部延伸約70 m，對正?；夭纱嬖谟绊?。

3）E3 薄煤區(qū)在運(yùn)輸巷切眼口向外205～245 m范圍，位于工作面內(nèi)部，呈封閉環(huán)狀在掘進(jìn)過程中一直未揭露，對回采影響很大。

經(jīng)工作面已回采范圍的煤厚資料與槽波透射法勘探資料驗(yàn)證，在工作面開始回采前，該礦根據(jù)槽波勘探成果提前對E2 薄煤區(qū)進(jìn)行了改造。從改造巷揭露煤厚資料看，E2 薄煤區(qū)實(shí)際位置與范圍與槽波預(yù)測成果基本一致；2017 年10 月工作面回采完畢，統(tǒng)計(jì)回采過程實(shí)際揭露的煤厚資料并將其與槽波預(yù)測煤厚進(jìn)行對比，150 個(gè)實(shí)測煤厚點(diǎn)123 個(gè)符合槽波勘探預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)82%。

圖6 12090 工作面槽波預(yù)測煤厚與實(shí)際揭露對照Fig.6 Comparison of predicted coal thickness and actual exposure of groove wave at 12090 working face

在義馬煤業(yè)下屬新安煤礦、云頂煤礦等工作面應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行槽波透射法探測工作面煤厚，針對其他煤層厚度，也取得了80%以上的探測范圍的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 論

1）通過槽波透射法在義馬礦區(qū)極不穩(wěn)定煤層探測薄煤區(qū)實(shí)驗(yàn)，較為準(zhǔn)確地圈出1.5 m 煤厚的范圍，槽波探測準(zhǔn)確率達(dá)到80%。說明槽波透射法可以準(zhǔn)確地探測極不穩(wěn)定煤層薄煤區(qū)的數(shù)量及分布范圍。

2)針對不穩(wěn)定煤層或極不穩(wěn)定煤層，槽波透射法觀測系統(tǒng)布置采用非均勻間距布置，對探測目標(biāo)時(shí)盡可能地以較小的間距布置炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)和盡可能多的地震道數(shù)，提高射線覆蓋密度，以便多次疊加提高信噪比。