朱金華

（山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，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(xiǎn)。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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)和檢測點(diǎn)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(jì)

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(shí)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(diǎn)31 個，相鄰炮點(diǎn)間距為20m，下巷道設(shè)置檢波點(diǎn)29個，相鄰檢波點(diǎn)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(shí)→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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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?yàn)楸豁敯鍘r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(shí)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(diǎn)與檢波點(diǎn)的位置并不固定，可以根據(jù)工作面的實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，以實(shí)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(shí)現(xiàn)對煤層不連續(xù)性的準(zhǔn)確探明，幫助工作人員及時(shí)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(shí)施。