張國恩

（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017205）

西部是我國煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭產(chǎn)量占我國70%左右，并且隨著中東部煤炭開采逐步進(jìn)入深部，開采條件愈來愈復(fù)雜，比例還將不斷上升[1-2]。目前，西部礦區(qū)煤炭開采工作面以綜合機(jī)械化開采為主，建成神東礦區(qū)、寧東基地等大規(guī)模高強(qiáng)度煤炭集中開采區(qū)域，煤炭安全綠色高效開發(fā)是煤炭開發(fā)的主流模式。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效開采，開展煤層地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)化勘探，有助于減少安全隱患，為確定工作面開采工藝和參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。不同學(xué)者針對工作面構(gòu)造探測，開展了不同的技術(shù)研究，包括無線電波透視技術(shù)、電磁波CT 探測、地質(zhì)雷達(dá)、等綜合物探等技術(shù)，并成功于工程實(shí)踐[3-9]。近年來，由于槽波地震勘探技術(shù)具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識別以及成果直觀的優(yōu)點(diǎn)，在斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常探測，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[10-12]。但是由于各個煤礦所處區(qū)域不同，煤層賦存地質(zhì)條件和構(gòu)造差別太大，采用槽波地震勘探技術(shù)探測地質(zhì)構(gòu)造時，必須結(jié)合實(shí)際，制定可行的勘探工藝，確定科學(xué)合理的參數(shù)，以確保勘探成果符合要求。

以烏蘭木倫礦12404 工作面地質(zhì)構(gòu)造探測工程為研究背景，全面分了12404 工作面地質(zhì)資料，提出采用槽波地震勘探技術(shù)對工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)槽波地震工程布置方案，對工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開展現(xiàn)場工程實(shí)踐，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，得到斷層等地質(zhì)構(gòu)造情況和參數(shù)，為工作面安全高效開采提供了基礎(chǔ)支撐。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波形成和類型

煤層間波導(dǎo)現(xiàn)象是Evison 于1955 年在新西蘭煤礦首次發(fā)現(xiàn)，1963 年德國人Krey 分別從理論和實(shí)踐應(yīng)用方面證明了煤層中槽波的存在，槽波傳播時會形成有限的幾種模式，具有很強(qiáng)的頻散特性。

在含煤地層中，煤層速度和密度均低于頂?shù)装鍑鷰r，因此煤層與圍巖界面，一般呈現(xiàn)良好的反射面。在煤層中激發(fā)地震波，所激發(fā)的縱波、橫波均以震源為中心，以球面體波形式向四周傳播，并以不同的角度入射到頂?shù)装褰缑?，槽波形成原理示意圖如圖1。

圖1 槽波形成原理示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of channel wave formation

當(dāng)入射角小于臨界角時，大部分能量將透射到圍巖之中，只有少部分能量反射回到煤層中，返回到煤層中的能量，在煤層中來回多次反射、透射而迅速衰減（漏失模式）；當(dāng)入射角大于等于臨界角時，則入射到頂、底板界面的地震波能量將全反射回到煤層，并在煤層中多次反射，最后禁錮在煤層之中（正常模式）。在煤層這個低速槽內(nèi)向外擴(kuò)散傳播，其中上行、下行波在煤層中相互干涉、迭加，多數(shù)諧波成分相互抵消，削弱，而逐漸消失；只有滿足一定條件的各種諧波，在槽內(nèi)相長干涉而形成垂直于煤層面的駐波，在煤層內(nèi)不斷向前傳播，形成了槽波（煤層波）。

由于不同體波干涉，形成的槽波具有不同特點(diǎn)，將槽波分為2 種，槽波基本類型及質(zhì)點(diǎn)振動如圖2。

圖2 槽波基本類型及質(zhì)點(diǎn)振動Fig.2 The types of channel wave formation and particle vibration

1）瑞利型槽波（R 波）：由P 波與SV 波相互干涉形成，其質(zhì)點(diǎn)是在垂直于煤層，包含射線的平面內(nèi)作橢圓形逆行極化。

2）勒夫型槽波（L 波）：由SH 波干涉形成，其質(zhì)點(diǎn)是在平行于煤層平面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)作線性極化振動。

槽波同散頻面波一樣，可以直觀地看成是平面體波在煤層與圍巖界面上多次反射、折射和規(guī)則干涉的結(jié)果。在煤層中激發(fā)出地震波時，槽波沿著圍巖-煤層-圍巖地層結(jié)構(gòu)傳播，其波長與煤層厚度為同一數(shù)量級。由于圍巖與煤層的速度比和密度比不同，在煤層的垂直距離上，槽波振幅是不同，由于低速地震槽和其直接條件的限制，槽波的振幅隨著到震源距離的增加而產(chǎn)生衰減。

1.2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性，可以用于小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，具有勘探距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識別以及成果直觀的優(yōu)點(diǎn)，尤其在勘探精度和距離上優(yōu)于坑透等煤礦井下勘探方法，槽波透射法和反射法是目前應(yīng)用廣泛的2 種勘探方法。

1）槽波透射法。采用從震源透過煤層傳至接收點(diǎn)的直達(dá)槽波信號。激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在采區(qū)周圍不同巷道內(nèi)，根據(jù)槽波有無、強(qiáng)弱來判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構(gòu)造異常，同時，通過對正常透射槽波的分析，為反射法數(shù)據(jù)處理及解釋提供參數(shù)等，勘探距離可達(dá)煤厚的幾百倍，實(shí)際勘探最大距離1 600 m。槽波透射法勘探示意圖如圖3。

圖3 槽波透射法勘探示意圖Fig.3 The exploration diagrammatic sketch of wave seismic transmission method

2）槽波反射法。該方法有效波是反射槽波信號。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差異）的分界面，就會產(chǎn)生反射槽波信號。因此，識別出這些反射槽波信號就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)，最大優(yōu)點(diǎn)是可以在1 條煤巷中向兩側(cè)進(jìn)行小構(gòu)造的勘探。槽波透射法與槽波反射法是相輔相成的，聯(lián)合應(yīng)用效果較好。槽波反射法勘探示意圖如圖4。

圖4 槽波反射法勘探示意圖Fig.4 The exploration diagrammatic sketch of channel wave reflection method

1.3 地質(zhì)構(gòu)造的解釋與評價標(biāo)準(zhǔn)

CT 技術(shù)是一種斷層掃描的技術(shù)，根據(jù)物體橫斷面的一系列投影數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)處理得到物體橫斷面的圖像，從而得到物體內(nèi)確切位置上的各物質(zhì)物性的信息。槽波地震CT 是通過分析、觀測地震波的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，獲得沿射線路徑上介質(zhì)物性信息的重要方法。根據(jù)不同的研究目的，利用人工地震也可以借助于天然地震來獲得不同條件地下介質(zhì)的分層或構(gòu)造圖像，用來分析不同地質(zhì)構(gòu)造。

1.3.1 斷層解釋和評價

1）斷層識別。根據(jù)透射槽波能量中斷、變?nèi)?，結(jié)合成像結(jié)果中條帶狀形特征識別斷層；也可通過反射槽波線型反射的出現(xiàn)來識別。

2）斷層相對落差的判定。斷層斷距大于煤層厚度時，煤層被完全斷開，則槽波無法穿透到達(dá)另一盤，造成槽波能量的迅速衰減；當(dāng)斷層斷距小于煤厚但大于1/2 煤厚時，煤層沒有被完全斷開，煤層的上下盤之間仍有煤層連接，能量衰減的越多，則斷層的斷距也越大；當(dāng)斷層斷距小于1/2 煤厚時，大部分槽波能夠穿透斷層，槽波的能量衰減較小，從中不易觀察到斷層的形態(tài)。

3）斷層控制程度評價。①可靠斷層：在單炮記錄、圖像上反映清晰的斷層；②較可靠斷層：在在單炮記錄、圖像上均有反映，但不夠清晰的斷層；③控制程度較差斷層：只在單炮或圖像上有反映，但不夠清晰的斷層。

1.3.2 陷落柱及其他地質(zhì)異常體

根據(jù)透射槽波能量中斷、變?nèi)酰Y(jié)合成像結(jié)果中圈閉狀特征識別陷落柱。也可通過反射槽波弧形短反射特征的出現(xiàn)來識別。陷落柱的控制程度分3種：可靠陷落柱、較可靠陷落柱、控制程度較差陷落柱，其評價方法與斷層評價方法相同。

結(jié)合勘探區(qū)實(shí)際情況，對巖漿巖巖墻、撓曲、采空區(qū)等其他地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象進(jìn)行解釋。根據(jù)其在單張圖像上的顯示特征，予以識別。其他地質(zhì)異常體的解釋與評價可參照斷層、陷落柱的解釋與評價方法。

2 工作面概況

烏蘭木倫礦12404 工作面走向長度2 090 m，寬度290 m，工作面煤厚2.0～3.0 m，平均厚度2.4 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角1°～3°。煤層厚度變化較大，井田內(nèi)廣泛發(fā)育，屬于穩(wěn)定煤層，煤巖類型為半暗型煤。煤層頂?shù)装鍘r石的質(zhì)量較好，巖體較完整，力學(xué)強(qiáng)度較低，以軟弱巖石為主，巖石穩(wěn)固性較差。

含煤地層是典型的層狀結(jié)構(gòu)，在垂直巖層方向上含煤地層之間的物性差異明顯。在含煤地層中，與圍巖相比煤層具有速度低、密度小的特點(diǎn)。煤層上下界面都是1 個極強(qiáng)的波阻抗分界面，并形成了以煤層為中心的低速波導(dǎo)層，煤層作為波導(dǎo)層對地震能量的致導(dǎo)水平在很大程度上決定于煤層與上下圍巖波阻抗的差異大小。

本次槽波探測區(qū)域?yàn)?2404 工作面切眼向主撤通道方向1 000 m 范圍，查明探測范圍內(nèi)落差≥1/2煤厚的斷層。通過探測該區(qū)域內(nèi)是否存在地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)工作面開采工藝設(shè)計(jì)，確保安全高效生產(chǎn)。

3 工作面槽波地震勘探工程實(shí)踐

3.1 工程布置和工作量

通過分析烏蘭木倫礦相關(guān)地質(zhì)資料，槽波勘探沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。經(jīng)過計(jì)算測試，采用全排列采集方案可最大限度地接收有效數(shù)據(jù)。槽波勘探測點(diǎn)布置見表1。

表1 槽波勘探測點(diǎn)布置Table 1 Arrangement of in-seam wave exploration points

1）接收點(diǎn)：采用10 m 接收道距，沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置，共布置接收點(diǎn)249 個，測線長度2 480 m。

2）激發(fā)點(diǎn)：采用20 m 間距，沿主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼布置，孔深3 m，孔徑42 mm，共布置激發(fā)點(diǎn)129 個。

3.2 施工工藝

實(shí)際施工中，將檢波器對接到巷道錨桿露頭上，與錨桿耦合良好；孔深3 m，方向垂直于煤壁，藥量0.3 kg；每個激發(fā)點(diǎn)激發(fā)，所有的接收點(diǎn)均接收，數(shù)據(jù)采集采用西安研究院存儲式無纜遙測地震儀（YTZ-3），采樣間隔0.25 ms，記錄長度2 s。

1）打孔要求和裝藥量。①嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)布置測點(diǎn)，紅色噴漆標(biāo)示激發(fā)點(diǎn)位，白色噴漆標(biāo)示接收點(diǎn)位，嚴(yán)格按照標(biāo)定點(diǎn)位，定點(diǎn)打孔；②鉆孔定位為巷道壁上方靠近頂板處，孔深3 m，孔徑42 mm，垂直于煤壁方向；③所有鉆孔在裝入炸藥之前都先將鉆孔中煤粉排除干凈，以便順利將炸藥裝到孔底；④每孔炸藥量0.3 kg，總炸藥量38.7 kg。

2）現(xiàn)場工程量。本次12404 工作面槽波地震勘探共采集槽波有效數(shù)據(jù)共129 個激發(fā)點(diǎn)；測點(diǎn)布設(shè)249 道，測線總長度2 480 m，完成了設(shè)計(jì)工作量，采集數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)證全部合格。12404 工作面槽原始數(shù)據(jù)如圖5。通過對本次采集的原始資料進(jìn)行檢查，12404 工作面施工激發(fā)點(diǎn)檢測記錄表見表2，達(dá)到了本次探測的要求。

圖5 12404 工作面槽原始數(shù)據(jù)Fig.5 The channel wave data of 12404 coal mining face

表2 12404 工作面施工激發(fā)點(diǎn)檢測記錄表Table 2 Test record sheet for construction excitation points of 12404 working face

3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

槽波數(shù)據(jù)處理是對槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)學(xué)分析和計(jì)算，提高原始槽波數(shù)據(jù)的信噪比，并從中提取與解釋目標(biāo)有關(guān)的圖像及數(shù)據(jù)信息，提高槽波勘探的精度，識別異常體性質(zhì)及空間位置。

采用透射槽波及反射槽波相結(jié)合的方法分析處理，對探測區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造情況進(jìn)行了解釋。通過綜合分析，本次工作面槽波勘探共解釋斷層4 條。12404 工作面斷層井下槽波探測構(gòu)造解釋圖如圖6。

槽波地震勘探數(shù)據(jù)解釋表明，烏蘭木倫礦12404 工作面含斷層4 條，并得到了斷層的走向及延展長度。各斷層主要情況如下：

1）CF1斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y15 以西50 m位置向工作面內(nèi)延伸770 m，落差大于煤厚，走向NW，反射槽波及透射槽波探測均有明顯反應(yīng)，控制程度較為可靠。

2）CF2斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y13 延伸至輔運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04H21 以西20 m，落差大于煤厚，工作面內(nèi)延展長度約310 m，走向NNE，在透射槽波探測中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

圖6 12404 工作面斷層井下槽波探測構(gòu)造解釋圖Fig.6 The channel wave data interpretation for 12404 mining face fault of Wulanmulun Coal Mine

3）CF3斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y20 以西30 m位置向工作面內(nèi)延伸200 m，與CF1斷層相交，落差大于煤厚，走向NNE，在透射槽波探測中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

4）CF4斷層。由主運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04y19 以東50 m延伸至輔運(yùn)巷導(dǎo)線點(diǎn)04H16 以東15 m，落差大于煤厚，工作面內(nèi)延展長度約335 m，走向NNE，在透射槽波探測中反應(yīng)明顯，控制程度較為可靠。

本次勘探未發(fā)現(xiàn)其它地質(zhì)異常。

4 結(jié) 語

1）采用采煤工作面槽波地震勘探技術(shù)，得到12404 工作面內(nèi)有4 條斷層，并無其他地質(zhì)異常構(gòu)造，進(jìn)一步分析得到4 條斷層的走向、落差、控制延展長度和控制程度等具體參數(shù)。

2）槽波地震勘探解釋的得到的斷層的延展長度僅是具有一定的不確定性，推測斷層的平面擺動位置可能有存在偏差，在工作面回采過程中需要進(jìn)一步對對槽波解釋的斷層進(jìn)行回采驗(yàn)證。

3）由于12404 工作面煤層較薄，槽波地震勘探對小于1/2 煤厚斷層的反映不明顯，工作面內(nèi)還可能存在小于1/2 煤厚斷層，回采時仍需需要加強(qiáng)對監(jiān)測。

4）在采掘生產(chǎn)過程中把槽波地震勘探解釋成果驗(yàn)證情況及時進(jìn)行總結(jié)，以利于對槽波地震資料所反映的各種地質(zhì)信息進(jìn)行進(jìn)一步分析、研究，從而掌握本區(qū)的地質(zhì)規(guī)律，使資料解釋更加準(zhǔn)確可靠，更好地為礦井采掘生產(chǎn)服務(wù)。