透射法槽波地震勘探在煤礦小構(gòu)造探測中的應(yīng)用

朱金華

（山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，濟(jì)南250104）

1 引言

煤礦開采中經(jīng)常要面對小型地質(zhì)構(gòu)造引發(fā)的威脅，這就要求企業(yè)做好地質(zhì)構(gòu)造勘察工作，充分了解煤礦所處區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，采取有效防范和應(yīng)對措施降低事故風(fēng)險。將槽波地震勘探中的透射法應(yīng)用到煤礦小構(gòu)造探測中，能保證探測的全面性和有效性，使煤礦工作人員可以更好地應(yīng)對小構(gòu)造可能會帶來的影響，保障煤礦開采安全。

2 煤礦小構(gòu)造的危害

煤礦開采中的小構(gòu)造包括小型斷層、小型褶皺、小型陷落柱等，體積雖然很小，但對煤礦開采活動的影響不容忽視，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）可能引發(fā)倒架。煤礦開采中，沒有被及時發(fā)現(xiàn)的小構(gòu)造會在局部應(yīng)力和壓力的共同作用下引發(fā)頂板變形或破碎問題，若壓力超出一定數(shù)值，可能導(dǎo)致支架部分懸空，引發(fā)局部坍塌或倒架事故。（2）可能引發(fā)爆炸。小構(gòu)造中也許積聚了大量瓦斯氣體，在采掘期間，若產(chǎn)生局部冒頂情況，瓦斯會在壓力突變時引發(fā)爆炸，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。（3）可能造成冒頂。個別小型地質(zhì)構(gòu)造的隱蔽性較強(qiáng)，在作業(yè)期間若煤層頂板出現(xiàn)大量裂縫或者矸石脫落情況，表明可能出現(xiàn)頂板冒落問題[1]。

3 槽波地震勘探的原理和方法

槽波地震勘探是地震勘探中的一個重要分支，槽波也被稱為煤層波或?qū)Р?，會在煤層中激發(fā)、傳播、反射和衰減，并且被同一個煤層接收（見圖1）?？紤]到煤的密度通常小于頂板和底板密度，彈性波在煤層中傳播的速度通常為頂板和底板的50%以下，在這種情況下，煤層中的彈性波一般無法傳到煤層外，而是在煤層頂板與底板之間形成反射與混響，繼而產(chǎn)生特殊的彈性地震波，也就是槽波。槽波地震勘探的一個重要前提，是煤層必須具備槽導(dǎo)性[2]。

槽波地震勘探的方法有2 種：

1）反射法。炮點和檢波器布設(shè)在同一個巷道內(nèi)，接收反射槽波信號，震源激發(fā)的槽波會沿著煤層向遠(yuǎn)處傳播，在遭遇波阻抗分界面時，產(chǎn)生相應(yīng)的反射槽波信號，借助設(shè)置在巷道壁的檢波器，能夠?qū)@些信號進(jìn)行收集，在對信號進(jìn)行識別和分析后，可以較為準(zhǔn)確地判斷煤層中不連續(xù)體所處的位置。反射法通常用于煤層內(nèi)部斷層、逆斷層、侵入體和巖墻等的探測，探測的距離約為煤層厚度的100 倍。

2）透射法。炮點和檢波器布設(shè)在不同的2 個巷道內(nèi)，依照接收到的透射槽波的大小以及動力學(xué)參數(shù)，探測炮點和檢測點之間是否有構(gòu)造的存在。透射法能夠?qū)γ簩拥刭|(zhì)構(gòu)造以及內(nèi)部異常進(jìn)行探測，如煤層厚度變化、煤矸石分布、斷層分布等，在一些特殊情況下，還可以反映煤層內(nèi)部壓力的變化，探測距離約為煤層厚度的300 倍[3]。

4 透射法在煤礦小構(gòu)造探測中的應(yīng)用

4.1 煤礦工作面概況

某煤礦綜采工作面長度為582m，煤層厚度為6.23m，呈條帶狀分布，煤芯完整。工作面本身的走向長，局部煤層的厚度存在較大的變化，在回采的過程中，部分煤層位于承壓水標(biāo)高以下，工作面切眼則處于承壓水區(qū)域，復(fù)雜的沖水因素使工作面必須帶壓開采，開采難度較大。結(jié)合已經(jīng)開采區(qū)域地質(zhì)資料，判斷在工作面中，可能有小型隱藏地質(zhì)構(gòu)造存在。

4.2 槽波地震勘探設(shè)計

為了對工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行明確，在工作面外部480m 的位置，實施槽波地震勘探，選擇透射法，在工作面上巷道共設(shè)置炮點31 個，相鄰炮點間距為20m，下巷道設(shè)置檢波點29個，相鄰檢波點間距同樣為20m，設(shè)置雙分量水平檢波器來對槽波進(jìn)行接收[4]。

4.3 槽波數(shù)據(jù)分析

從工作面中選擇具備典型性的單炮記錄，分析槽波特征，發(fā)現(xiàn)其能量強(qiáng)，速度和頻率低，對所有單炮記錄進(jìn)行分析，可以明確，每個單炮記錄都能夠接收槽波，但是所處區(qū)域不同，槽波的透射能量也存在一定差別。就工作面內(nèi)所有的典型槽波記錄頻散分析結(jié)果進(jìn)行綜合，可以看出，區(qū)域內(nèi)槽波具備十分明顯的頻散特征，群速度曲線完整且連續(xù)，槽波埃里相頻率集中在約80Hz，速度約為850m/s[5]。

4.4 槽波數(shù)據(jù)處理

在對槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過程中，為了保證處理效果，使用了美國SPW 地震數(shù)據(jù)處理軟件，具體的處理流程為：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換→安裝道頭字→靜校正→極性翻轉(zhuǎn)→廢道刪除→濾波→自動增益控制→早晚弱音→頻散分析→拾取旅行時→速度層析成像。槽波本身屬于頻散波，其群速度與相速度都會隨著頻率發(fā)生改變，借助頻散分析，能夠從實際測量得到的槽波記錄中提取群速度與相速度隨頻率變化的曲線。槽波速度會受到煤層厚度的影響，煤層厚度越大，槽波速度越低，主頻也會向著低頻的方向偏移。槽波頻散變化最為陡峭的部分，煤層厚度變化引發(fā)的槽波速度變化最大，探測精度也最高，基于此，在實施速度成像的過程中，選擇的頻率應(yīng)處于槽波速度變化最陡的部分。在針對各個炮點獲取的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散分析后，可以得到選定頻率下的槽波速度，對其進(jìn)行層析成像，能夠得到準(zhǔn)確完整的波速CT 成像圖，將煤層厚度變化以及煤礦小構(gòu)造反映出來，這也是透射法槽波地震勘探獲取地質(zhì)信息的重要依據(jù)[6,7]。

依照相應(yīng)的波速分布圖（見圖2），得到完整煤層的波速在850m/s，個別區(qū)域的波速超過了煤層波速，表明可能存在異常。

在對照煤礦開采中已經(jīng)揭露的地質(zhì)資料的情況下，可以得到如下推測：

圖2 波速分布圖

1）異常1 和異常2 是煤柱引發(fā)的壓力增高區(qū)域，在較高的壓力下，煤層壓實度更高，波速也隨之增高。

2）異常3 和異常4 屬于煤層破碎帶或者瓦斯富集區(qū)域，其同樣會導(dǎo)致波速增高。

3）異常5 屬于煤層內(nèi)陷落柱，因為被頂板巖石填充，在波速值上要高于煤層，這也是其表現(xiàn)為高速區(qū)域的主要原因。

5 結(jié)論

結(jié)合上述分析可知：

1）借助槽波地震勘探方式來對煤礦工作面小構(gòu)造進(jìn)行探測，能得到準(zhǔn)確探測結(jié)果，可以幫助煤礦技術(shù)人員實現(xiàn)對未知區(qū)域的預(yù)先探測，效果十分明顯。

2）槽波地震勘探中，炮點與檢波點的位置并不固定，可以根據(jù)工作面的實際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，以實現(xiàn)對工作面內(nèi)部地質(zhì)信息的超前探測。

3）相比其他勘探方法，槽波地震勘探有非常明顯的優(yōu)勢，不僅分辨率更高，探測距離更遠(yuǎn)，而且還能實現(xiàn)對煤層不連續(xù)性的準(zhǔn)確探明，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)小型地質(zhì)構(gòu)造，獲取準(zhǔn)確的工作面地質(zhì)信息，為后續(xù)開采作業(yè)提供完善的數(shù)據(jù)信息支持，確保煤礦開采工作順利實施。