焦 陽,衛(wèi)金善,竇文武

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術研究院,山西 晉城 048006)

槽波地震透射法在斷層探測中的應用研究

焦 陽,衛(wèi)金善,竇文武

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術研究院,山西 晉城 048006)

針對地質構造對工作面的采掘銜接和安全回采重要的影響,利用槽波地震勘探技術,布設不同觀測系統(tǒng),對兩相鄰相似工作面展開透射法探測,綜合研究斷層的槽波波場響應特征。結果表明:1)觀測系統(tǒng)中檢波器和炮點軸線與斷層走向的交角應控制在45°～90°,才可保證探測質量;2)槽波地震透射法對斷層的探測效果良好,能有效指導礦井的安全生產(chǎn)。

槽波地震勘探;透射法;斷層;觀測系統(tǒng)

我國煤田地質條件復雜,煤層中存在著不同尺度的地質異常體,如果工作面在回采過程中無計劃揭露構造,將會發(fā)生冒頂、突水、瓦斯突出等事故,嚴重威脅著工人的生命安全,也會造成巨大經(jīng)濟損失[1-5]。因此,準確預測、預報出采面的地質構造情況,并提前采取防范措施,至關重要。

礦井地質構造探測的主要技術有三維地震、坑透及鉆探。三維地震受技術條件和施工環(huán)境約束,反演成果存在偏差、準確率不高;坑透發(fā)展相對成熟,但對斷層反應不明顯,且不適用于較寬工作面;鉆探手段只能依據(jù)物探結果展開定向探測,否則費時費力。

目前,槽波地震勘探作為一種可應用于井下的高精度探測手段,正在廣泛推廣和應用,是礦井地質構造探測中備受關注、最有前景的物探方法[6-8]。

1 槽波地震透射法探測的原理與方法

在地質剖面中,煤層是一個典型的低速夾層,其頂?shù)装鍘r層構成了高波阻抗界面,因此,在物理上構成一個“波導”。當煤層中激發(fā)體波的部分能量由于頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層中,不向圍巖輻射,在煤層中相互疊加、相長干涉,形成一個強的干涉擾動,即為槽波(如圖1所示)[9-10]。槽波的傳播距離遠,能量強,波形特征易于識別,具有明顯的頻散特征,利用此特點,通過對獲得的槽波記錄進行頻散分析,不但可以證實煤層中槽波的存在與否,還能用來對煤層中的地質構造及異?，F(xiàn)象進行探測。

圖1 槽波形成示意圖Fig.1 Channel wave formation diagram

槽波地震勘探根據(jù)探測目的與布置方式的不同,可以分為透射法探測和反射法探測。槽波透射法原理(如圖2所示):激發(fā)點布置在工作面的一個巷道內(nèi),接收點布置在工作面的另一個巷道內(nèi),以此接收來自炮點的地震波透射信息。透射法主要用于探測工作面內(nèi)地質結構和內(nèi)部異常,包括煤層厚度變化、夾矸石分布、斷層、陷落柱等地質構造,在某些情況下還可判斷煤層的應力集中現(xiàn)象,其最大探測距離可達煤層厚度的300倍。

圖2 槽波透射法勘探原理示意圖Fig.2 Exploration principle of channel wave transmission

2 探測工作面概述

本次槽波透射法探測以晉煤集團寺河煤礦兩相鄰相似工作面為試驗現(xiàn)場。

1307工作面概況(如圖3-a所示):走向長度530 m,傾斜長度295 m,主采3#煤,煤層厚度平均6.2 m,為穩(wěn)定可采煤層。其中,13073巷在掘進到距切眼245 m,13071巷在掘進到距切眼360 m處均揭露斷層,斷距約煤厚的1/2。

1308工作面概況(如圖3-b所示):走向長度350 m,傾斜長度188 m,主采3#煤,煤層厚度平均6.2 m,為穩(wěn)定可采煤層。其中,13081巷在掘進到距切眼190 m,13083巷在掘進到195 m、210 m處均揭露斷層,斷距約煤厚的1/2。

3-a 1307工作面探測圖

3-b 1308工作面探測圖(藍色方框為探測區(qū)域，紅色實線為巷道揭露斷層位置)圖3 1307、1308工作面布置圖Fig.3 Layout of No.1307 and No.1308 working face

3 探測工作面觀測系統(tǒng)設計

為進一步查明1307、1308工作面的地質構造的賦存情況、已揭露斷層的連接情況、觀測系統(tǒng)對斷層的槽波波場響應特征與適用性等,特布置不同觀測系統(tǒng)展開槽波透射法探測。

1307工作面觀測系統(tǒng)(如圖4-a所示):炮孔共計18個,炮間距15 m,每炮炸藥量200 g,布置于1307工作面主撤通道;檢波器孔共計24個,道間距20 m～40 m,布置于1307工作面切眼及鄰近區(qū)域。檢波器和炮點軸線與斷層走向的交角約30°～40°。

4-a 1307工作面布置示意圖

4-b 1308工作面布置示意圖藍色圓圈為檢漢器孔，紅色叉號為炮孔圖4 1307、1308工作面布置圖Fig.4 Layout of No.1307 and No.1308 working face

1308工作面觀測系統(tǒng)(如圖4-b所示):炮孔共計26個,炮間距20 m,每炮炸藥量200 g,布置于13081巷及鄰近區(qū)域;檢波器孔共計24個,道間距20 m,布置于13081巷及鄰近區(qū)域。檢波器和炮點軸線與斷層走向的交角約75°～80°。

4 工作面探采成果對比

本次數(shù)據(jù)處理采用美國的SPW軟件,原始數(shù)據(jù)以SG2格式保存,經(jīng)濾波、抽道、頻散分析、時頻拾取、CT成像等數(shù)據(jù)處理流程,最后得到槽波波速分布圖,如圖7所示。

圖5 1307工作面單炮原始記錄(第1炮)Fig.5 Single-shot original record of No.1307 working face (the first shot)

圖6 1308工作面單炮原始記錄(第17炮)Fig.6 Single-shot original record of No.1308 working face (the 17th shot)

圖7 1307、1308工作面探采對比圖Fig.7 Comparison of exploration and mining between No.1307 and No.1308 working face

由于不同的波在煤層中傳播速度不同,原始槽波記錄上首先接收到的是P波,然后是S波,接下來就是槽波,最后是槽波中的艾里相。艾里相頻率高,速度慢,是判斷槽波接收質量好壞的一個標志。由圖5可以看出,1307工作面接收的槽波艾里相頻率較低,能量較弱,屬于低質量槽波,不利于后期的時頻分析。由圖6可以看出1308工作面接收的槽波艾里相頻率較高,能量較強,屬于高質量槽波,對后期的數(shù)據(jù)分析和成果解釋較為有利。

圖7為1307、1308工作面的最終探采成果對比,圖中橙色代表高速度區(qū)域,黃色次之,青色為正常區(qū),藍色代表低速度區(qū)域,根據(jù)速度分析結果,認為正常完整煤層的波速約800 m/s,橙黃色對應的高速區(qū)定義為異常區(qū)。

結合兩工作面對異常區(qū)域的鉆探驗證及回采揭露:1307存在一貫穿工作面的正斷層,而槽波探測成果僅在斷層中間區(qū)域有異常顯示,且斷層的整體形態(tài)和走向并未成功分析得出;1308的斷層位置則和槽波探測成果較為吻合,三條斷層均為高速異常顯示,且走向一致,是一次成功的槽波透射法探測。綜合兩工作面的槽波單炮記錄質量及探測成果對比,分析認為:觀測系統(tǒng)中檢波器和炮點軸線與斷層走向的交角應控制在45°～90°,若檢波器數(shù)量足夠,可圍繞工作面形成閉合式布置,提高探測質量。

5 結論

1) 觀測系統(tǒng)中檢波器和炮點軸線與斷層走向的交角應控制在45°～90°,才可保證探測質量,否則采集的槽波艾里相頻率較低,能量較弱,且不易于識別,影響最終成果。

2) 如果檢波器數(shù)量足夠,可圍繞工作面形成閉合式布置,不僅能夠加大數(shù)據(jù)采集數(shù)量,還有利于加強數(shù)據(jù)質量,提高最終解釋成果的準確性。

3) 槽波地震透射法探測對斷層的探測效果良好,能夠提前探明其大體位置和走向,對保障礦井的安全生產(chǎn)意義重大。

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ApplicationofInseamSeismicExplorationinFaultDetection

JIAOYang,WEIJinshan,DOUWenwu

(TheInstituteofTechnology,JinchengAnthraciteMiningGroup,Jincheng048006,China)

Geological structure is important for convergence plan and safety of mining. With Inseam Seismic (ISS) exploration and different observing systems, two similar adjacent working faces are detected by transmission method to study the response characteristics of wave field of ISS. The results show that:1) the detection quality could be guaranteed only if the angle of interaction between fault strike and the axes of detector and shot point is controlled within the range from 45° to 90°;2) the transmission method of ISS exploration has ideal effects in fault detection, which could guide the mine safety production.

inseam seismic exploration;transmission method;fault;observing system

1672-5050(2017)01-0034-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.010

2016-09-07

焦陽(1988-),男,山西晉城人,碩士,從事礦井防治水、礦井物探等方面的研究和實踐工作。

TD325

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(編輯：薄小玲)