閆曉萌

（山西焦煤霍州煤電店坪煤礦，山西 方山 033199）

店坪煤礦較大斷層、褶皺等異常體發(fā)育稀少，但煤層圍巖中發(fā)育的隱伏小地質(zhì)體是回采時(shí)潛在的安全隱患。三維地震雖說(shuō)探測(cè)較大構(gòu)造方面效果不錯(cuò)，但落差較小地質(zhì)體卻不盡人意。以店坪煤礦9-206 回采面為例查明小型地質(zhì)異常體，深入研究槽波CT 成像技術(shù)方案，為其他工作面打好基礎(chǔ)。

1 工程概況

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在店坪煤礦即將準(zhǔn)備回采的9-206 工作面。該工作面位于830 m 水平南翼，西與830 南翼軌道巷相通，向東延伸到礦界煤柱線，向南延伸至環(huán)城高速煤柱線，向北接壤9-204 掘進(jìn)面。工作面上部為實(shí)體煤，圍巖層級(jí)很穩(wěn)定。本次物探需對(duì)9-206 工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況進(jìn)行探查。采用槽波地震勘探方法，查明9-206 工作面內(nèi)小型構(gòu)造發(fā)育情況。根據(jù)工作面回采長(zhǎng)度計(jì)算與實(shí)際需要，9-206 工作面兩順槽探測(cè)長(zhǎng)度均為900 m。

2 透射槽波勘探原理及方法

在傳播介質(zhì)相對(duì)恒定、成分相對(duì)簡(jiǎn)單的煤層中，透射槽波往往以平穩(wěn)的方式傳播，當(dāng)傳播介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，例如煤層斷開(kāi)、前方出現(xiàn)陷落柱或煤厚發(fā)生變化的時(shí)候，槽波的傳播頻率、能量衰減等相關(guān)技術(shù)參數(shù)就會(huì)因此而出現(xiàn)變化。

煤層相較其他巖層，波阻抗界面優(yōu)勢(shì)突出，同時(shí)煤層介質(zhì)傳播速率很低。實(shí)際應(yīng)用中，在煤巷設(shè)計(jì)位置激發(fā)不同程度的地震波，從激發(fā)點(diǎn)開(kāi)始，波體會(huì)以不同的角度透射到煤巖分界面而發(fā)生全反射，這些反射波又相互交織，最后鎖在煤層中，同時(shí)以低速率在煤介質(zhì)中橫著傳播，這種波就叫做槽波。

槽波具有透射距離遠(yuǎn)、受周?chē)h(huán)境波動(dòng)較小、查明位態(tài)相對(duì)精確的特點(diǎn)。槽波的有效直線大約是煤層厚度的300 倍。在實(shí)際應(yīng)用中，分別在被探測(cè)回采面的兩順槽中布置等間距的炮點(diǎn)陣列以及等間距的檢波器。槽波在煤層傳播時(shí)信號(hào)會(huì)發(fā)生不同程度的衰減，如果槽波全部透過(guò)煤層層位，說(shuō)明煤層完整，無(wú)異常情況；如果只有部分槽波透過(guò)煤層，說(shuō)明煤層中有落差小于煤層厚度的小斷層；如果完全不能接收槽波，說(shuō)明煤層中有落差大于煤層厚度的構(gòu)造。因此，該透射方法所激發(fā)的槽波直達(dá)信號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)始于震源，穿過(guò)煤層巷道，終于設(shè)計(jì)接收點(diǎn)，然后根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和檢波點(diǎn)位置推斷地質(zhì)構(gòu)造位態(tài)及產(chǎn)狀情況。

3 槽波可視化成像方案設(shè)計(jì)

透射槽波探測(cè)方案是對(duì)檢波點(diǎn)接收到波體的有價(jià)值傳播信號(hào)，通常采取層析影響方法[1-2]，求得所探測(cè)煤層相關(guān)物理性質(zhì)參數(shù)，然后將煤層中存在的隱伏地質(zhì)異常體有效可視化成像。在槽波透射探測(cè)各類(lèi)技術(shù)方法中，根據(jù)波體振幅變化情況研究可視化槽波模型，不同的構(gòu)造影響就會(huì)產(chǎn)生不同的衰減系數(shù)，系數(shù)值越大說(shuō)明受構(gòu)造的影響程度也就大，也意味著該處存在地質(zhì)異常體。具體計(jì)算公式如下所述。圖1為槽波可視化示意圖。

圖1 槽波可視化示意圖

假定此時(shí)在第j處激發(fā)，第i檢波點(diǎn)接收的槽波射線，假定此波體穿過(guò)格網(wǎng)媒介的遇阻常數(shù)設(shè)α1、α2、……αn，激發(fā)點(diǎn)j所發(fā)射的包格振幅為βoj，檢波點(diǎn)i接收槽波包格振幅為βj，傳經(jīng)格網(wǎng)的始終距離設(shè)Lij，則：

式（3）即為振幅衰減系數(shù)矩陣方程。以上述為基礎(chǔ)，如果應(yīng)用CT 成像方法，則計(jì)算衰減系數(shù)矩陣方程中，震源振幅aoj被振幅比值bj所取代。這樣能夠更簡(jiǎn)便地求解方程。當(dāng)下最常用的算法是應(yīng)用art、asrt、sirt 等求解衰減系數(shù)矩陣方程，該文通過(guò)使用代數(shù)聯(lián)和重建方式（sart）。這種方法能夠?qū)rt 的誤差進(jìn)行有效修正，聯(lián)和代數(shù)重建方法產(chǎn)生的結(jié)果不清晰性和收斂擬合較慢等劣勢(shì)被最大程度地抑制。sart 的具體計(jì)算公式如下：

式中：αj屬第j個(gè)色點(diǎn)的振幅常數(shù)；Rij屬第j個(gè)色點(diǎn)對(duì)第i個(gè)波體投影常數(shù)；K屬迭代次數(shù)；Ei屬投影誤差。

在某個(gè)特定透射方向上，與第j個(gè)像素重合的全部掃描光束均要進(jìn)行求和（為i代表），全部像素(k)jα均修正完成，此時(shí)就會(huì)修正待測(cè)場(chǎng)的估算數(shù)據(jù)αj。在這個(gè)過(guò)程中作為聯(lián)合修正參數(shù)的依據(jù)是在某個(gè)像素中有特定掃描角的全部掃描投射線的投影誤差。 所以應(yīng)用art 算法所產(chǎn)生的模糊性能夠被有效地遏制，并且sart 算法每次迭代計(jì)算過(guò)程都涵蓋了全部透射信息。由此看出，sart 的收斂速度相較于art 表現(xiàn)更為出色，同時(shí)重建精度也較優(yōu)。

4 中厚煤層工作面透射槽波構(gòu)造探測(cè)應(yīng)用

4.1 槽波勘探情況

本次實(shí)際應(yīng)用在店坪煤礦830 南翼9-206 工作面，該試驗(yàn)選在切巷往巷口方向約900 m 區(qū)段，走向長(zhǎng)度245 m。本礦區(qū)煤層均較為穩(wěn)定，平均煤厚為3.0 m，煤層頂?shù)装寰陨皫r、砂質(zhì)泥巖為主。該地質(zhì)條件非常適合試驗(yàn)透射槽波勘探技術(shù)。對(duì)9-206 工作面掘進(jìn)期間揭露的地質(zhì)構(gòu)造以及相鄰采面的回采情況進(jìn)行分析得知該回采面在回采時(shí)很有可能揭露隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

4.2 探測(cè)方案布置

依據(jù)9-206 面煤厚和槽波透射技術(shù)理論，9-206面透射槽波空間距離可達(dá) 3.0×300=900 m，工作面傾向距離長(zhǎng)小于900 m，所以探測(cè)裝置無(wú)需作另外的設(shè)計(jì)，就能在兩順槽內(nèi)任何地點(diǎn)接收到巷道內(nèi)任何地方所激發(fā)的槽波。

本次探測(cè)采用槽波透射法觀測(cè)系統(tǒng)。即在一條巷道布置發(fā)射，另一條巷道布置接收，如圖2。

圖2 槽波測(cè)點(diǎn)布置示意圖

9-206 工作面槽波透射探測(cè)共布置32 個(gè)炮點(diǎn)，編號(hào)S1～S32，94 個(gè)檢波點(diǎn)，編號(hào)G1～G94。9-2061巷發(fā)射，9-2062 巷接收。

炮點(diǎn)：自9-2061巷20號(hào)點(diǎn)前9 m至切眼至9-2062巷方向向前進(jìn)行布置，并垂直布置在9-2061 巷掘進(jìn)方向左幫腰線，共布置32 個(gè)炮點(diǎn)，即S1～S32，炮點(diǎn)間距30 m，切眼間距20 m，孔深均為2 m。

檢波點(diǎn)：自9-2061 巷4 號(hào)點(diǎn)前68 m 至切眼至9-2062 巷方向向前進(jìn)行布置，并垂直布置在9-2061巷掘進(jìn)方向右?guī)脱€，共布置94 個(gè)檢波點(diǎn)，即G1～S94，檢波點(diǎn)間距均為10 m。

4.3 槽波探測(cè)數(shù)據(jù)成圖分析

本次設(shè)計(jì)高密度射線能夠全覆蓋待測(cè)空間，初始槽波信息捕捉完成后，因?yàn)槌跏疾w信息能量太大，而槽波的場(chǎng)能較小，這時(shí)如果不能采取適當(dāng)?shù)牟l進(jìn)行有效過(guò)濾，以增強(qiáng)槽波能量，如圖3（a），成像效果就會(huì)大打折扣，如圖3（b）。

假如回采面中煤層比較穩(wěn)定，夾矸厚度小，圍巖巖性大體一致，槽波就會(huì)在工作面大范圍內(nèi)傳播且衰減小、易被捕捉，假如工作面發(fā)育斷層、陷落柱或其他地質(zhì)異常區(qū)時(shí)，槽波就會(huì)迅速衰減，甚至消失。本文對(duì)9-206 采面部分記錄進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4。在圖中可以清晰地看到槽波迅速衰減，可以判斷出槽波傳播途中遭遇斷層等其他構(gòu)造阻撓了能量等額傳播，由此結(jié)合前期收集的地質(zhì)資料和現(xiàn)在的能量衰減推斷是由隱伏斷層造成的影響。

圖 3 9-2061 巷s10 炮點(diǎn)激發(fā)9-2062 巷G60-G70 檢波點(diǎn)接收的槽波數(shù)據(jù)

圖4 檢波點(diǎn)接收槽波數(shù)據(jù)異常顯示

4.4 槽波成像

4.4.1 9-206 工作面P 波透視物探異常分析

從工作面P 波傳播規(guī)律知，P 波主要沿煤巖界面附近傳播，相對(duì)煤層內(nèi)部的槽波，煤巖交界處的P 波表現(xiàn)為速度快、能量弱的特征。9-207 工作面槽波勘探P 波能量CT 成像圖，圖中淺白色為相對(duì)P波速度大，黑灰色為速度相對(duì)小。本次P 波透視共圈定2 處速度高值異常區(qū)，如圖5。

圖5 P 波能量CT 成像圖

4.4.2 采用振幅衰減系數(shù)CT 成像方法對(duì)槽波進(jìn)行成像處理

在圖6 中，不同深淺的色標(biāo)表示槽波傳播衰減常數(shù)的大小，淺白色代表衰減數(shù)值大，接收槽波透射反饋回的場(chǎng)能較小，表明這個(gè)范圍中煤層結(jié)構(gòu)完整性不好，推斷可能發(fā)育斷層構(gòu)造，而深黑灰色代表衰減常數(shù)小，收集透射槽波的場(chǎng)能大，表示這范圍中煤層結(jié)構(gòu)完整性好。在圖6 中發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)分布如條帶狀，透射的槽波場(chǎng)能發(fā)現(xiàn)只有很少量。說(shuō)明這范圍內(nèi)發(fā)育有斷層落差稍微小于煤層厚度的小型斷層構(gòu)造。但是目前槽波勘探技術(shù)理論的發(fā)展還不足以準(zhǔn)確探測(cè)斷層落差大小，僅僅可以依托該煤層厚度推斷斷層大致發(fā)育的規(guī)模。

4.4.3 實(shí)際斷層揭露與探測(cè)成果吻合情況

在該試驗(yàn)范圍中煤層厚度約為3.0 m 的地質(zhì)條件下，可以推斷出斷層的落差大致為2.5 m，在槽波吸收系數(shù)最強(qiáng)處可以確定為是該斷層的發(fā)育位置，即圖6 中的淺白色和深黑灰色的地方。實(shí)際在該回采面推至地質(zhì)構(gòu)造異常范圍內(nèi)正好揭露一條貫穿整個(gè)工作面、斷距約為2.3 m正斷層，實(shí)際驗(yàn)證了斷層揭露情況與透射槽波探測(cè)結(jié)論大體一致，從而說(shuō)明槽波探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造是非常有效的。

圖6 工作面槽波衰減系數(shù)成像圖（曲線表示斷層）

5 結(jié)論

煤層穩(wěn)定單一采面中發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)透射槽波探測(cè)技術(shù)反應(yīng)靈敏，勘察準(zhǔn)確度很高，該種技術(shù)特別符合采面中小陷落柱、小型斷層等其他異常區(qū)域的探查。經(jīng)過(guò)對(duì)槽波透射過(guò)程中場(chǎng)能變化特點(diǎn)的分析，能夠看出槽波可以有效識(shí)別采煤工作面中圍巖構(gòu)造位置及產(chǎn)狀情況，加之搭配槽波地震可視化成像計(jì)算模型演算收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)，槽波可視化成像效果很好，同時(shí)很方便地分析出圍巖構(gòu)造的位態(tài)。在探測(cè)中、厚煤層回采面小型隱伏地質(zhì)構(gòu)造中應(yīng)用這種方法，波體傳播過(guò)程中衰減強(qiáng)度以像素顏色遞變情況呈現(xiàn)出地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育范圍。本次成果驗(yàn)證了槽波在探測(cè)回采面較小的地質(zhì)異常體方面具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。