槽波地震透射法在陷落柱探測中的應(yīng)用研究

李廣義,焦 陽,衛(wèi)金善,譚 菁,竇文武,李梓毓

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 成莊煤礦； 2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，山西 晉城 048006)

陷落柱是巖溶空洞塌陷的產(chǎn)物，它的存在不僅影響煤礦生產(chǎn)，而且給煤礦安全帶來嚴(yán)重威脅。因此，在工作面回采之前，探明其內(nèi)部陷落柱的賦存位置，對保障煤礦的安全高產(chǎn)高效至關(guān)重要[1]。

目前，采面內(nèi)陷落柱探測的主要物探方法以無線電波透視為主，但其探測距離較短、縱向分辨率不高，且不能完成超寬工作面內(nèi)陷落柱的精細(xì)化探測。槽波地震勘探作為一種高精度探測手段，具有探測距離遠(yuǎn)、震源信號強(qiáng)、波形特征明顯、不受電力干擾、解釋精度高且直觀等特點(diǎn)，在煤礦井下的陷落柱探測中被廣泛的推廣和應(yīng)用，前景廣闊，意義重大[2-5]。

1 槽波透射法探測原理及方法

1.1 探測原理

煤系地層中，煤層相對于圍巖具有速度低、密度小的特點(diǎn)，表明“圍巖-煤層-圍巖”結(jié)構(gòu)中(見圖1)，煤層與頂?shù)装褰缑嫘纬梢粋€(gè)極強(qiáng)的波阻抗分界面。當(dāng)震源在煤層中激發(fā)了體波，包括縱波(P波)和橫波(S波)，地震波在煤系地層中傳播形成了以煤層為中心的低速“槽”或低速“波導(dǎo)層”，激發(fā)的部分能量由于頂?shù)装褰缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及其鄰近的巖石中，不向圍巖輻射，在煤槽中相互疊加、相長干涉、形成一個(gè)強(qiáng)的干涉擾動(dòng)，即槽波(見圖2)。槽波以煤層為波導(dǎo)沿著煤槽向外傳播，又稱為煤層波或?qū)Рā?/p>

α -入射波入射角；β -透射波透射角；i0-臨界角；V1、V2-介質(zhì)波速圖2 槽波形成示意圖Fig.2 Channel wave formation

根據(jù)物理構(gòu)成和極化特征，煤層中可能形成P-SV和SH-SH兩類干涉振動(dòng)或槽波，作為簡正振型傳播于煤層中。其中，將P波與SV波在煤層中形成的干涉波稱為Rayleigh型槽波(簡記為R波)，R波質(zhì)點(diǎn)在垂直于煤層面、平行于傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)，既有水平分量又有垂直分量，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡一般呈逆行橢圓狀；將單一的SH波在煤層中形成的干涉波稱為Love型槽波(簡記為L波)，L波質(zhì)點(diǎn)在平行于煤層面、垂直于傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)。目前，槽波探測和解析過程中，主要采集和應(yīng)用Love型槽波[6-8]。

當(dāng)槽波在煤層中傳播時(shí)，若煤體中賦存有斷層、陷落柱、破碎區(qū)等地質(zhì)異常時(shí)，檢波器接收到的槽波信號會(huì)發(fā)生顯著變化，如振幅值、槽波速度等，大量槽波數(shù)據(jù)匯總、分析和CT，最終能辨別出地質(zhì)異常的位置和形態(tài)，再結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)資料和其它物探信息，對異常進(jìn)行性質(zhì)推斷，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

1.2 探測方法

槽波地震勘探根據(jù)探測目的不同，可以采取透射法、反射法和透射-反射聯(lián)合法等三種布置方式[9-10]。其中，槽波透射法是指將震源和檢波器排列布置在不同的巷道中，震源布置在一條巷道內(nèi)激發(fā)，檢波器排列布置在另一條巷道內(nèi)接受槽波(見圖3)。

圖3 槽波透射法勘探布置示意圖Fig.3 Channel wave transmission detection principle

2 槽波透射法探測陷落柱實(shí)例

2.1 工作面概況

晉煤集團(tuán)某煤礦4313工作面順槽長度1 710 m，切眼寬度205 m，為3#煤層，平均厚度6.3 m，穩(wěn)定可采。根據(jù)地面三維地震勘探資料，采面內(nèi)無大型構(gòu)造發(fā)育，但根據(jù)無線電波透視結(jié)果，采面內(nèi)存在一定異常反應(yīng)，主要異常地段位于停采線外20 m～100 m(圖4中異常1)，以及停采線內(nèi)300 m～390 m(圖4中異常2)，推斷為陷落柱影響，但無法圈定其具體位置和范圍，整體縱向分辨率不高。為精確查明工作面回采范圍內(nèi)陷落柱的賦存特征，針對4313工作面停采線內(nèi)的600 m范圍展開槽波透射法勘探。

圖4 4313工作面主要異常地段的無線電波透視成果Fig.4 Radio wave perspective results of major abnormal sections on No.4313 working face

2.2 觀測系統(tǒng)布置

槽波探測觀測系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)備數(shù)量、施工條件、探測精度等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合確定震源和檢波器的布置位置、道間距、炮間距等。本次4313工作面主要采用槽波透射法進(jìn)行勘探，測線長度600 m，為準(zhǔn)確推斷短軸大于20 m的陷落柱和斷距大于3 m的斷層，在43131巷布置炮點(diǎn)30個(gè)，炮間距為20 m，43133巷布置檢波點(diǎn)32個(gè)，道間距為20 m，且每個(gè)檢波器采用雙分量接收震波數(shù)據(jù)。

2.3 槽波數(shù)據(jù)分析

圖5為本次槽波探測采集到的原始單炮記錄，以第21炮的Y分量數(shù)據(jù)為主，可以看出：根據(jù)煤巖層中地震波的傳播速度不同，首先接收到的是縱波，波速約3 800 m/s，之后是橫波，波速約2 200 m/s，接下來就是槽波，最后是能量最強(qiáng)、速度最慢的艾里相，結(jié)合頻譜分析，通過傅里葉變換，計(jì)算出區(qū)域震波的頻率范圍為50 Hz～250 Hz，槽波主頻集中在120 Hz左右。另外，由于第2～5個(gè)檢波器接收到的槽波射線穿越陷落柱，其槽波能量衰減嚴(yán)重，艾里相位清晰程度下降，且不連續(xù)，可以作為一個(gè)初判地質(zhì)異常的依據(jù)，對后期的數(shù)據(jù)分析和成果解釋至關(guān)重要。

圖5 4313工作面單炮原始記錄(第21炮)Fig.5 Original single-short record of No.4313 working face (the 21st shot)

2.4 探采成果對比

本次數(shù)據(jù)處理采用槽波透射法能量分析，主要流程包括采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入、觀測系統(tǒng)加載、槽波數(shù)據(jù)分析、地震數(shù)據(jù)編輯、槽波數(shù)據(jù)批處理、槽波參數(shù)提取等，之后得出探測范圍的槽波振幅值，采用CT層析成像方法繪制衰減系數(shù)云圖，根據(jù)衰減系數(shù)成像中的槽波能量變化特征，推斷地質(zhì)構(gòu)造的位置、范圍以及煤體變異情況。

圖6為槽波衰減系數(shù)層析成像圖。暖色區(qū)域表示槽波能量衰減嚴(yán)重，推斷為地質(zhì)構(gòu)造影響，綠色及冷色區(qū)域表示槽波能量均衡，推斷為正常煤體反應(yīng)，最終圈定4處地質(zhì)異常，命名為YC1、YC2、 YC3、YC4，圖6中紅色實(shí)線進(jìn)行圈定。目前，工作面已回采完畢，地質(zhì)異常推斷及揭露信息如下：

1)YC1位于4313停采線以里359 m～422 m，橫向跨度63 m，縱向跨度47 m，結(jié)合現(xiàn)場和地質(zhì)資料分析，推斷為斷層影響區(qū)域，實(shí)際揭露為F141斷層(斷距約0.8 m)的影響區(qū)域。

2)YC2位于4313停采線以里340 m～410 m，橫向跨度70 m，縱向跨度75 m，結(jié)合現(xiàn)場和地質(zhì)資料分析，推斷為斷層影響或煤體破碎區(qū)域，實(shí)際揭露為F114斷層(斷距約1.5 m)和F115斷層(斷距約2 m)的影響區(qū)域，頂板不好，煤體較破碎。

3)YC3位于4313停采線以里394 m～478 m，橫向跨度84 m，縱向跨度82 m，結(jié)合槽波資料中，穿越該區(qū)域槽波射線的振幅值衰減嚴(yán)重，艾里相缺失，以及無線電波透視法中，異常2(圖6中藍(lán)色虛線圈定的)的“V”字型場強(qiáng)衰減(符合陷落柱特征)，綜合推斷為陷落柱影響區(qū)域，實(shí)際揭露為一陷落柱(長軸為80 m，短軸為76 m)，影響范圍包含在粉色實(shí)線圈定區(qū)域內(nèi)。

圖6 4313工作面槽波衰減系數(shù)層析成像圖Fig.6 Channel wave detection results of No.4313 working face

4)YC4位于4313停采線以里462 m～513 m，橫向跨度51 m，縱向跨度54 m，結(jié)合現(xiàn)場和地質(zhì)資料分析，推斷為斷層影響區(qū)域，實(shí)際揭露為F133斷層(斷距約1.2 m)和F134斷層(斷距約2.2 m)的影響區(qū)域，煤體較破碎。

綜合槽波探測區(qū)域的探采成果對比，說明本次4313工作面的槽波透射法勘探效果良好，不但能夠有效反應(yīng)斷層的影響范圍，而且能夠準(zhǔn)確圈定陷落柱的賦存位置，相比于無線電波透視成果(圖6中藍(lán)色虛線圈定的異常2)，分辨率和準(zhǔn)確率大幅提高，對采煤工作面隱伏構(gòu)造的預(yù)測預(yù)報(bào)和安全回采意義重大。

3 結(jié)論

1)槽波透射法探測過程中，如果槽波射線穿越陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，檢波器接收到的槽波能量會(huì)大幅衰減，艾里相位清晰程度下降，且不連續(xù)，可以作為一個(gè)初判陷落柱地質(zhì)構(gòu)造的依據(jù)，對后期的數(shù)據(jù)分析和成果解釋至關(guān)重要。

2)槽波透射法探測技術(shù)，不但能夠探查斷層及其影響區(qū)域，對陷落柱的發(fā)育形態(tài)和影響范圍更能進(jìn)行準(zhǔn)確定位，相比于無線電波透視技術(shù)，大大提高了探測分辨率和準(zhǔn)確率。

3)槽波地震勘探的探測結(jié)果直觀、明了，對陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的探測效果良好，可以有效指導(dǎo)安全生產(chǎn)，對采煤礦井意義重大。