焦 陽(yáng),衛(wèi)金善,竇文武

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院,山西 晉城 048006)

槽波地震透射法在斷層探測(cè)中的應(yīng)用研究

焦 陽(yáng),衛(wèi)金善,竇文武

(山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院,山西 晉城 048006)

針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)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(shù),布設(shè)不同觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)兩相鄰相似工作面展開(kāi)透射法探測(cè),綜合研究斷層的槽波波場(chǎng)響應(yīng)特征。結(jié)果表明:1)觀測(cè)系統(tǒng)中檢波器和炮點(diǎn)軸線與斷層走向的交角應(yīng)控制在45°～90°,才可保證探測(cè)質(zhì)量;2)槽波地震透射法對(duì)斷層的探測(cè)效果良好,能有效指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)。

槽波地震勘探;透射法;斷層;觀測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層中存在著不同尺度的地質(zhì)異常體,如果工作面在回采過(guò)程中無(wú)計(jì)劃揭露構(gòu)造,將會(huì)發(fā)生冒頂、突水、瓦斯突出等事故,嚴(yán)重威脅著工人的生命安全,也會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。因此,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)出采面的地質(zhì)構(gòu)造情況,并提前采取防范措施,至關(guān)重要。

礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的主要技術(shù)有三維地震、坑透及鉆探。三維地震受技術(shù)條件和施工環(huán)境約束,反演成果存在偏差、準(zhǔn)確率不高;坑透發(fā)展相對(duì)成熟,但對(duì)斷層反應(yīng)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(jié)果展開(kāi)定向探測(cè),否則費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

目前,槽波地震勘探作為一種可應(yīng)用于井下的高精度探測(cè)手段,正在廣泛推廣和應(yīng)用,是礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中備受關(guān)注、最有前景的物探方法[6-8]。

1 槽波地震透射法探測(cè)的原理與方法

在地質(zhì)剖面中,煤層是一個(gè)典型的低速夾層,其頂?shù)装鍘r層構(gòu)成了高波阻抗界面,因此,在物理上構(gòu)成一個(gè)“波導(dǎo)”。當(dāng)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(zhǎng)干涉,形成一個(gè)強(qiáng)的干涉擾動(dòng),即為槽波(如圖1所示)[9-10]。槽波的傳播距離遠(yuǎn),能量強(qiáng),波形特征易于識(shí)別,具有明顯的頻散特征,利用此特點(diǎn),通過(guò)對(duì)獲得的槽波記錄進(jìn)行頻散分析,不但可以證實(shí)煤層中槽波的存在與否,還能用來(lái)對(duì)煤層中的地質(zhì)構(gòu)造及異?，F(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)。

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(cè)目的與布置方式的不同,可以分為透射法探測(cè)和反射法探測(cè)。槽波透射法原理(如圖2所示):激發(fā)點(diǎn)布置在工作面的一個(gè)巷道內(nèi),接收點(diǎn)布置在工作面的另一個(gè)巷道內(nèi),以此接收來(lái)自炮點(diǎn)的地震波透射信息。透射法主要用于探測(cè)工作面內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)構(gòu)造,在某些情況下還可判斷煤層的應(yīng)力集中現(xiàn)象,其最大探測(cè)距離可達(dá)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(cè)工作面概述

本次槽波透射法探測(cè)以晉煤集團(tuán)寺河煤礦兩相鄰相似工作面為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

1307工作面概況(如圖3-a所示):走向長(zhǎng)度530 m,傾斜長(zhǎng)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(jìn)到距切眼245 m,13071巷在掘進(jìn)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(zhǎng)度350 m,傾斜長(zhǎng)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(jìn)到距切眼190 m,13083巷在掘進(jìn)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(cè)圖

3-b 1308工作面探測(cè)圖(藍(lán)色方框?yàn)樘綔y(cè)區(qū)域，紅色實(shí)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(cè)工作面觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步查明1307、1308工作面的地質(zhì)構(gòu)造的賦存情況、已揭露斷層的連接情況、觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)斷層的槽波波場(chǎng)響應(yīng)特征與適用性等,特布置不同觀測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)槽波透射法探測(cè)。

1307工作面觀測(cè)系統(tǒng)(如圖4-a所示):炮孔共計(jì)18個(gè),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(jì)24個(gè),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(diǎn)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(lán)色圓圈為檢漢器孔，紅色叉號(hào)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(cè)系統(tǒng)(如圖4-b所示):炮孔共計(jì)26個(gè),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(jì)24個(gè),道間距20 m,布置于13081巷及鄰近區(qū)域。檢波器和炮點(diǎn)軸線與斷層走向的交角約75°～80°。

4 工作面探采成果對(duì)比

本次數(shù)據(jù)處理采用美國(guó)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(shí)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(duì)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(lái)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(zhì)量好壞的一個(gè)標(biāo)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(zhì)量槽波,不利于后期的時(shí)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(qiáng),屬于高質(zhì)量槽波,對(duì)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(duì)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(lán)色代表低速度區(qū)域,根據(jù)速度分析結(jié)果,認(rèn)為正常完整煤層的波速約800 m/s,橙黃色對(duì)應(yīng)的高速區(qū)定義為異常區(qū)。

結(jié)合兩工作面對(duì)異常區(qū)域的鉆探驗(yàn)證及回采揭露:1307存在一貫穿工作面的正斷層,而槽波探測(cè)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(cè)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(cè)。綜合兩工作面的槽波單炮記錄質(zhì)量及探測(cè)成果對(duì)比,分析認(rèn)為:觀測(cè)系統(tǒng)中檢波器和炮點(diǎn)軸線與斷層走向的交角應(yīng)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(cè)質(zhì)量。

5 結(jié)論

1) 觀測(cè)系統(tǒng)中檢波器和炮點(diǎn)軸線與斷層走向的交角應(yīng)控制在45°～90°,才可保證探測(cè)質(zhì)量,否則采集的槽波艾里相頻率較低,能量較弱,且不易于識(shí)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(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高最終解釋成果的準(zhǔn)確性。

3) 槽波地震透射法探測(cè)對(duì)斷層的探測(cè)效果良好,能夠提前探明其大體位置和走向,對(duì)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(yáng)(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(shí)踐工作。

TD325

A

(編輯：薄小玲)