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        準備工作面走向斷層探測技術(shù)的應用研究

        2020-08-25 11:02:44王海波魏著霖竇文武
        中國煤炭 2020年8期
        關鍵詞:鉆場勘探斷層

        王海波 魏著霖 焦 陽 竇文武

        (1.山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司雙柳煤礦,山西省呂梁市,033303;2.山西三晉華易礦井技術(shù)服務有限公司,山西省太原市,030006;3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司技術(shù)研究院,山西省晉城市,048006)

        隨著我國煤礦開采強度的加大、開采深度的增加,陷落柱、斷層等復雜構(gòu)造對工作面的回采影響巨大,特別是走向斷層的發(fā)育,嚴重影響準備工作面的巷道布置和采掘銜接。如果無計劃地揭露走向斷層,不但會造成采掘工作面大范圍冒頂、片幫,還可能引發(fā)瓦斯突出、突水等事故,還會造成不可估量的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-2]。因此,對煤礦準備工作面走向斷層的精準探測十分重要。

        對比以往工作面地質(zhì)構(gòu)造探測的眾多方法,如三維地震勘探[3]、無線電波透視[4-5]和鉆探[6]等,槽波地震勘探具有探測精度高、探測距離大、抗干擾能力強、解釋成果直觀等優(yōu)勢,特別是槽波反射法勘探,可利用單一巷道對探測區(qū)域進行不同波阻抗介質(zhì)的界面探測,理論上對走向斷層反應靈敏[7-8]。因此,擬選用槽波反射法勘探,對研究區(qū)域的準備工作面進行走向斷層的精確探測,用以指導礦井安全生產(chǎn)。

        1 槽波反射法勘探原理

        在地質(zhì)剖面中,煤層是典型的低速帶,在物理上構(gòu)成“導波”,當煤層中激發(fā)一個震動時,由于頂?shù)装鍘r性不同,激發(fā)的部分能量被禁錮在煤層中,不向周圍巖層輻射,在煤層中相互干涉、疊加,形成一個強的擾動,即槽波。

        槽波地震勘探方法分為透射法和反射法,槽波反射法是將炮點和接收點布置在同一巷道,當震源激發(fā)后,地震波以球面形式向外擴散,遇到波阻抗不同的2種介質(zhì)界面后,發(fā)生反射,被檢波器接收,經(jīng)過后期處理得到反射界面的位置和延伸長度,如圖1所示。另外,槽波反射法勘探適用于槽波艾里相頻率較高、槽波艾里相群速度較低的煤層中,特別是在槽波斷層探測應用中,如果斷層走向與觀測系統(tǒng)軸線角度過大,或者斷層與探測測線距離較近,將會很大程度影響反射槽波的接收[9-13],因此觀測系統(tǒng)的布置和槽波數(shù)據(jù)的處理十分重要。

        圖1 槽波反射法勘探

        2 2107準備工作面觀測系統(tǒng)布置

        2.1 探測區(qū)域概況

        山西華晉吉寧煤業(yè)2107準備工作面設計走向長1120 m,開切眼寬245 m,主采2號煤層,平均煤厚6.28 m,穩(wěn)定可采。目前,2107運輸巷已掘進到位,2107回風巷掘進245 m,距離三維地震勘探顯示的F7斷層(東西向,斷距8 m)約50 m,按照礦方巷道掘進過程中正常的超前鉆探距離(約70 m),本應揭露的F7斷層并未在2107回風巷掘進工作面被探測到。因此,為有效探明該斷層是否存在及其漂移情況,利用已形成的2107運輸巷展開槽波地震反射法勘探及相關研究。

        2.2 觀測系統(tǒng)布置

        本次槽波反射法勘探采用德國DMT公司的Summit Ⅱ Ex防爆槽波地震儀[14],測線長度1110 m,在2107運輸巷布置檢波器74個,檢波器間距15 m,布置反射炮孔75個,炮孔間距15 m,單孔炸藥量為200 g,炮檢距為7.5 m,如圖2所示。

        圖2 2107準備工作面槽波地震勘探觀測系統(tǒng)布置圖

        另外,考慮到槽波反射法探測的單炮記錄中,直達槽波與直達縱波和直達橫波難以區(qū)分,無法精確計算槽波速度,特在2107回風巷布置6個透射炮孔,炮間距15 m,通過槽波透射法探測單炮記錄得到區(qū)域內(nèi)槽波速度,為后期的數(shù)據(jù)處理和分析提供依據(jù)。

        3 2107準備工作面槽波數(shù)據(jù)處理

        槽波反射數(shù)據(jù)處理的關鍵是通過提高原始地震記錄的信噪比,并從中提取與解釋目標相關的參數(shù)和信息,進行數(shù)學分析和計算,以此判別異常體的位置和延展范圍。

        3.1 典型反射炮單炮記錄

        第74炮共炮點道集如圖3所示。從第74炮的槽波記錄可以看出,震源激發(fā)后,直達槽波沿煤壁最先到達接收點,且與檢波器距離呈線性關系,反射槽波在遇到波阻抗界面后,被檢波器滯后接收,滯后時間約為530~1080 ms,而反射槽波的存在間接證明了區(qū)域內(nèi)異常的存在。

        圖3 第74炮共炮點道集

        3.2 典型反射炮頻散、頻譜分析

        通過本次采集到的反射槽波數(shù)據(jù)分析可知,探測區(qū)域槽波發(fā)育良好,頻散特征明顯[15-17],典型反射炮(第74炮)的頻散曲線如圖4所示,可以看到槽波艾里相的主頻為140 Hz;典型反射炮(第74炮)的頻譜分析如圖5所示,可以看到槽波頻譜區(qū)間在115~150 Hz,主頻也為140 Hz,與頻散分析結(jié)果一致。另外,結(jié)合透射槽波數(shù)據(jù)及對應的偏移距關系,計算得到探測區(qū)域槽波速度為1100 m/s。

        3.3 槽波反射法處理結(jié)果

        2107準備工作面的槽波數(shù)據(jù)處理利用SPW軟件完成,主要流程包括數(shù)據(jù)載入、觀測系統(tǒng)添加、延時校正、道內(nèi)均衡、道間平衡、濾波、動校正、包絡疊加、時深轉(zhuǎn)換和相移偏移[18],追蹤到反射同相軸后,結(jié)合地質(zhì)資料分析構(gòu)造類型。

        圖4 槽波頻散曲線

        圖5 槽波頻譜分析

        本次槽波反射法勘探成果主要包括CBF1、CBF2和CBF3共3處異常界面,如圖6所示。

        (1)CBF1。該異常走向近東西,延展長度約440 m,在2107準備工作面內(nèi)的延伸長度約185 m,推斷為三維地震勘探成果中F7斷層的漂移。

        (2)CBF2。該異常走向近東西,延展長度約480 m,推斷為三維地震勘探成果中F5斷層的漂移。

        (3)CBF3。該異常走向近東西,延展長度約245 m,與2107回風巷的已掘長度吻合程度較高,推斷為空巷反應。

        需要說明的是,本次探測的部分大號炮點(近切眼處)由于現(xiàn)場條件不具備,缺失9炮,因此,探測成果靠切眼段150 m范圍的可靠程度不高,CBF1和CBF2在此區(qū)域的延伸范圍未能準確查明。

        圖6 2107準備工作面槽波反演成果

        4 2107準備工作面探采對比

        為驗證本次槽波反射法勘探成果的準確性,礦方分別在2107回風巷距2107工作面切眼540 m和465 m處布置1號鉆場和2號鉆場施工驗證孔,其中,1-1號和2-1 號鉆孔分別于距1號鉆場和2號鉆場27 m和17 m處揭露斷層JNF7斷層,與探測成果近乎吻合,位置偏差2~3 m;1-2號和2-2號鉆孔分別于距1號鉆場和2號鉆場42 m和54 m處揭露斷層JNF5,與探測結(jié)果近乎吻合,位置偏差3~5 m。此外,2107回風巷掘進過程中,在距離工作面切眼885 m處揭露斷層JNF7,推測揭露位置偏差7 m。2107準備工作面探采對比結(jié)果如圖7所示。

        圖7 2107準備工作面探采對比結(jié)果

        綜上所述,本次槽波反射法勘探效果良好,斷層構(gòu)造的準確探測,能有效指導礦方的采掘銜接。礦方通過在2107回風巷重新開拓巷道甩開斷層,保證了2107工作面的安全回采,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益,另外,2107回風巷已掘巷道的準確反應,側(cè)面證明了槽波地震反射法探測空巷的可行性,對后期地質(zhì)構(gòu)造的探測和解釋具有一定的意義。

        5 結(jié)論

        (1)本次槽波反射法勘探確定了山西華晉吉寧煤業(yè)2107準備工作面的槽波速度約1100 m/s,槽波頻譜區(qū)間在115~150 Hz,主頻為140 Hz,可以為井田內(nèi)其他區(qū)域的槽波地震勘探提供一些基礎的指標和參數(shù)。

        (2)2107準備工作面的槽波反射法成功探測出2條走向斷層,效果良好,不但糾正了三維地震勘探成果的誤差,而且有效指導了礦方的采掘銜接,保證了工作面的安全回采,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

        (3)2107回風巷已掘巷道的準確反應側(cè)面證明了槽波地震反射法探測空巷的可行性,對后期地質(zhì)構(gòu)造的探測和解釋具有一定的意義。

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