摘 ?要：陷落柱發(fā)育區(qū)域，物探探測(cè)手段受工作面內(nèi)的陷落柱相互影響，探測(cè)精度一直不高，未查明的隱伏陷落柱會(huì)對(duì)工作面回采造成較大的影響。因此，在陷落柱發(fā)育礦區(qū)對(duì)陷落柱的發(fā)育形態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)對(duì)煤礦安全高效回采具有重要意義。該文以陽泉礦區(qū)兩個(gè)工作面的構(gòu)造探測(cè)為例，利用透射槽波地震探測(cè)方法在兩個(gè)工作面進(jìn)行探測(cè)，成功預(yù)測(cè)了工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造。結(jié)果表明，透射槽波地震探測(cè)能夠在陷落柱發(fā)育礦區(qū)準(zhǔn)確判斷陷落柱的發(fā)育形態(tài)，精度較高。

關(guān)鍵詞：陷落柱發(fā)育、陽泉礦區(qū)、透射、槽波

中文分類號(hào)：P631.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0000-00

Research on the Application of Channel Wave Detection in Multiple Subsidence Pillar Mining Areas

?In the area with frequent collapse columns， the geophysical detection means are affected by the collapse columns in the working face， and the detection accuracy has not been high. The unidentified hidden collapse columns will have a great impact on the mining of the working face.?Therefore， the accurate detection of the development form of collapse column in the mining area with collapse column development is of great significance to the safe and efficient mining of coal mine. Taking the structural detection of two working faces in Yangquan mining area as an example， the concealed structures in the working faces are successfully predicted by using the transmission channel wave seismic detection method.?The results show that the transmission channel wave seismic detection can accurately judge the development form of collapse column in the mining area with high accuracy.

Multiple collapse column areas; Yangquan mining area; Transmission; Channel wave

陽泉礦區(qū)位于晉東煤炭基地，資源儲(chǔ)量巨大，開采歷史悠久，作為華北煤田主要產(chǎn)煤區(qū)，從古至今為國家提供了寶貴的煤炭資源，但同時(shí)，陽泉礦區(qū)也是陷落柱最為多發(fā)的區(qū)域之一，而陷落柱由于其可能的導(dǎo)水性及瓦斯賦存，對(duì)煤礦安全造成極大威脅。即使陷落柱不含水、不導(dǎo)水、不含瓦斯，其造成的工作面無法高效回采問題也給煤礦生產(chǎn)帶來較大的問題。因此需要在回采前，對(duì)工作面內(nèi)隱伏的陷落柱進(jìn)行探測(cè)，以便回采時(shí)及時(shí)應(yīng)對(duì)，以調(diào)整回采方案，最大限度地保障安全并提高生產(chǎn)效率。

陽泉礦區(qū)位于山西省陽泉市，整個(gè)井田仍屬于沁水盆地，地處東北邊緣。石炭二疊系為其含煤地層，總共有16層煤層，主力開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組（C）的15號(hào)煤層、8-9號(hào)煤層，以及二疊系下統(tǒng)山西組（P）的3號(hào)煤層。15號(hào)煤煤層厚度3.5～9.2 m，8-9號(hào)煤煤層厚度0.6～4.2 m，3號(hào)煤煤層厚度0.5～4.3 m。礦區(qū)地層總體呈NW-SE走向單斜構(gòu)造，自五臺(tái)期、阜平期構(gòu)造旋回開始，經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，褶皺伴生斷層較發(fā)育，但主要還是環(huán)狀陷落柱構(gòu)造極為發(fā)育。

陽泉礦區(qū)陷落柱探測(cè)已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，地面物探方法有三維地震探測(cè)，井下物探方法包括瑞利波探測(cè)、無線電波坑透探測(cè)。近年來井下槽波地震探測(cè)方法也開始應(yīng)用陷落柱探測(cè)，華陽集團(tuán)甚至將槽波探測(cè)和無線電波坑透探測(cè)兩種方法寫入集團(tuán)公司礦井防治水條例，開展了較大規(guī)模的井下槽波探測(cè)項(xiàng)目。

震動(dòng)波在煤層中傳播遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，會(huì)發(fā)生波動(dòng)變化，槽波地震探測(cè)就是利用這一原理來探測(cè)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的礦井物探方法。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)布置的不同，又分為透射法、反射槽波探測(cè)法，還有在反射法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的槽波超前探測(cè)。

透射法是在已經(jīng)形成的工作面兩條巷道進(jìn)行激發(fā)接收震動(dòng)波（見圖1），通過震動(dòng)波傳播的能量及速度變化進(jìn)行探查斷層，陷落柱等各種地質(zhì)體或異常。

3.1 ?工作面概況

陽煤一礦位于陽泉市區(qū)西北，目前主要回采15號(hào)煤層，煤層厚度一般在6 m左右。此次探測(cè)的兩個(gè)工作面開采煤層均為15號(hào)主力煤層。81210工作面平均煤厚6.63 m;煤層傾角一般4°左右;工作面巷掘進(jìn)過程中揭露陷落柱2個(gè)，斷層1條，工作面內(nèi)有4個(gè)上組煤發(fā)育投影下來的陷落柱。8304工作面平均煤厚4.85 m;掘進(jìn)過程中揭露斷層2條。工作面內(nèi)有1個(gè)上組煤發(fā)育投影下來的陷落柱。

3.2 ?觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次槽波探測(cè)測(cè)線分別沿兩個(gè)工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷及切眼布置，其中81210工作面測(cè)線長(zhǎng)度2 840 m，8304工作面測(cè)線長(zhǎng)度2 840 m。

81210工作面從巷道開口開始，采用20 m炮間距，巷道回采側(cè)幫共布設(shè)激發(fā)點(diǎn)128個(gè)。采用10 m接收間距，巷道回采側(cè)幫共布設(shè)接收點(diǎn)285道。8304工作面從巷道開口開始，采用20 m炮間距，巷道回采側(cè)幫共布設(shè)激發(fā)點(diǎn)93個(gè)。采用10 m接收間距，巷道回采側(cè)幫共布設(shè)接收點(diǎn)201道。

3.3 ?數(shù)據(jù)分析

槽波地震的資料處理與一般的物探資料處理有相似之處，首先是排除異常道和炮，因?yàn)楫惓?shù)據(jù)會(huì)影響振幅衰減的判斷，對(duì)后續(xù)的成像造成不良影響。其次需要消除不同雷管激發(fā)造成的時(shí)差，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行初至校正。數(shù)據(jù)整理完畢后，對(duì)由于遠(yuǎn)道造成的槽波能量衰減進(jìn)行擴(kuò)散補(bǔ)償，來提高射線密度的均一性。最后是根據(jù)槽波的頻散特性，識(shí)別出槽波的埃里相頻率，進(jìn)行濾波，排除無效波對(duì)成像的影響。這樣就可以得到可以成像的原始單炮記錄，從單炮記錄上也可以看到槽波能量由于工作面內(nèi)陷落柱造成的能量減弱（見圖3）。

3.4 ?頻譜分析

通過波場(chǎng)分析，可以計(jì)算出槽波的頻譜曲線如圖4所示。從頻譜曲線圖中可以看出，兩個(gè)工作面采集到的槽波主頻均在100～300 Hz之間，歸一化振幅值峰值均在0.6左右，8304工作面槽波頻率范圍相對(duì)更寬。

3.5 ?圖像重建及反演

CT成像算法采用聯(lián)合代數(shù)重建法（SART），這種算法根據(jù)ART算法改進(jìn)而來，主要在誤差修正上改進(jìn)計(jì)算方法，加快收斂速度，使ART算法更清晰，公式如下：

其中，定義投影誤差：。

類似于光纖中光波的傳播原理，當(dāng)煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無構(gòu)造時(shí)，槽波能量衰減緩慢、有較強(qiáng)穿透性。當(dāng)煤層中發(fā)育陷落柱時(shí)，槽波能量會(huì)被陷落柱吸收，造成能量衰減。每一個(gè)激發(fā)點(diǎn)激發(fā)的槽波都能形成一個(gè)槽波能量的穿透情況，將所有激發(fā)點(diǎn)形成的穿透情況進(jìn)行疊加整合，就能對(duì)工作面內(nèi)陷落柱的發(fā)育情況進(jìn)行合理地判斷。

實(shí)際成像時(shí)，按照觀測(cè)系統(tǒng)范圍大小建立一個(gè)平面的二維模型，網(wǎng)格大小選擇5 m×5 m。每一個(gè)激發(fā)點(diǎn)激發(fā)的槽波能量的穿透情況都反應(yīng)到單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)槽波的振幅，疊加整合后，就能得到這個(gè)二位平面內(nèi)槽波能量發(fā)育情況。

圖5是81210工作面最終的槽波探測(cè)構(gòu)造解釋圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)明顯陷落柱異常有12處，除了對(duì)揭露的6個(gè)陷落柱向工作面發(fā)育的情況有明顯的預(yù)判外，此次探測(cè)新發(fā)現(xiàn)6個(gè)陷落柱。根據(jù)槽波探測(cè)的結(jié)果，礦方提前布置鉆孔進(jìn)行打鉆驗(yàn)證，新解釋的6個(gè)陷落柱全部鉆孔揭露，因此礦方提前選擇的兩個(gè)陷落柱密集區(qū)域進(jìn)行跳采，避免了工作面綜采設(shè)備割巖以及工作面無法高效回采的情況。

圖6?是8304工作面最終的槽波探測(cè)構(gòu)造解釋圖，在圖中共解釋了3個(gè)陷落柱，1個(gè)煤層頂板破碎帶。根據(jù)回采情況驗(yàn)證，在陷落柱附近，礦方提前加強(qiáng)支護(hù)，保障了工作面的安全回采。

（1）透射槽波在陽泉礦區(qū)較為發(fā)育，槽波頻率主要集中在100～300 Hz，探采結(jié)果對(duì)比表明，探測(cè)誤差可以控制在10 m 以內(nèi)。

（2）陷落柱發(fā)育礦區(qū)，透射槽波依然能夠清晰的判斷陷落柱的發(fā)育形態(tài)，精度較高，根據(jù)槽波探測(cè)成果，可以提前調(diào)整工作面回采方案，為煤礦安全快速掘進(jìn)提供保障。

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（項(xiàng)目編號(hào)：2018YFC0807804）;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020XAYDC02-03，2020XAYJSQ12）。

作者簡(jiǎn)介：蘇曉云（1988—），男，碩士，助理研究員，主要從事地質(zhì)及煤田地質(zhì)工作。