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      淺析槽波地震探測煤礦綜采面的應(yīng)用

      2021-09-23 13:48:08翁海龍
      陜西煤炭 2021年5期
      關(guān)鍵詞:折射波炮點勘探

      翁海龍

      (國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司保德煤礦,山西 忻州 034000)

      0 引言

      隨著煤礦對安全生產(chǎn)要求的不斷提高,本著“先探后采”的安全生產(chǎn)原則,利用煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)對保德煤礦81505工作面斷層及陷落柱等地質(zhì)異常體進(jìn)行探明。

      槽波地質(zhì)勘探最先是由Evison在煤礦井下進(jìn)行試驗并發(fā)現(xiàn)[1],隨后Krey綜合了地震波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律,并給出了地震波在煤層中傳播的數(shù)學(xué)公式[2]。隨著槽波地震勘探技術(shù)理論及裝備的優(yōu)化更新,其探測范圍和探測精度也隨之提高。目前已經(jīng)能夠探測出與煤厚近似大小的斷層以及其他小構(gòu)造,成為了煤礦井下勘探的一種可靠技術(shù)手段,近年來被廣泛應(yīng)用[3-6],尤其是在隱伏構(gòu)造及小構(gòu)造的探測中,槽波探測能夠發(fā)揮其明顯優(yōu)勢[7-8]。

      1 工作面概況

      81505綜放工作面位于井田8號煤層的五盤區(qū),北為原康家灘礦的采空區(qū),南為五盤區(qū)集中大巷,東為81504綜放工作面,西為81506規(guī)劃綜放工作面。81505工作面走向1858 m,傾向240 m。工作面平均煤厚8 m。本次勘探范圍為81505整個綜放工作面,該工作面由一號回風(fēng)順槽、膠運順槽、回撤通道及切眼組成,如圖1所示。

      圖1 槽波勘探區(qū)位置示意Fig.1 Location of trough wave exploration area

      本次探測工作所在的81505綜放工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面內(nèi)煤層、圍巖、砂巖的物性(密度和速度)差異較大,故煤層與圍巖的波阻抗差異會很明顯。煤層與圍巖間的交界面會呈現(xiàn)為良好的地震波反射面,非常有利于槽波在煤層中傳播,且工作面寬度在槽波可傳播的最大距離范圍之內(nèi),可以保證槽波能量不易衰減。

      2 槽波地震勘探與槽波CT層析成像技術(shù)

      2.1 槽波地震勘探

      槽波地震勘探是一種可以在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波,包含有槽波透射法和槽波反射法。它是探查煤層不連續(xù)性的一種地球物理方法,也是地震勘探的一個分支。大小斷層、煤層尖滅、變薄、陷落柱、采空區(qū)、空廢棄巷道等類型的地質(zhì)異常都能通過探測分析出來。具有探測距離大、抗干擾能力強(qiáng)、地質(zhì)異常探測精度高、波形數(shù)據(jù)易于識別、最終成果直觀的突出優(yōu)點,尤其在探測準(zhǔn)確率和距離上在煤礦是很有優(yōu)勢的。

      2.1.1 槽波透射法

      槽波透射法是槽波地震法中最基本可靠也是最常用的一種方法,采用的有效波是從震源透過煤層傳至接收點的直達(dá)槽波信號。如圖2所示,爆炸點與槽波接收點布置在所需探測工作面不同巷道內(nèi),根據(jù)槽波有、無,強(qiáng)、弱來判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構(gòu)造異常。

      圖2 槽波透射法勘探示意Fig.2 Exploration of trough wave transmission method

      2.1.2 槽波反射法

      槽波反射法是反射槽波信號,簡單的說就是槽波可在煤層中傳輸,如遇不連續(xù)煤層,其傳播速度和密度就會受到阻抗而發(fā)生變化。識別出這些反射槽波信號,可以直接判斷出所測工作面中煤層變化情況,存在不連續(xù)體的具體位置。如圖3所示,槽波反射法可以在一條煤巷中向周邊范圍內(nèi)兩側(cè)進(jìn)行小構(gòu)造探測,該方法在采礦方面的價值特別大,猶如透視眼,直接探測出來異常地質(zhì)構(gòu)造位置,是槽波地震探測技術(shù)的重要部分。

      圖3 槽波反射法勘探示意Fig.3 Exploration of trough wave reflection method

      槽波透射法與槽波反射法2種測量都有各自優(yōu)缺點,可以相互彌補(bǔ)不足之處,根據(jù)具體探測條件與目的聯(lián)合應(yīng)用效果最終得出所需探測工作面的地質(zhì)情況。

      2.2 槽波CT層析成像技術(shù)

      槽波CT技術(shù)就像是我們?nèi)粘sw檢的CT,此次該技術(shù)用于一種斷層掃描技術(shù),是根據(jù)物體橫斷面一系列投影數(shù)據(jù)多層成像再通過數(shù)據(jù)處理而獲得物體橫斷面的圖像??芍^是由數(shù)據(jù)到圖像重建的高科技技術(shù)。根據(jù)不同的研究目的與需要,可以結(jié)合被測物體的具體情況,通過人工制造人為的地震,或依賴自然界地震來捕獲不同條件下介質(zhì)的分層與構(gòu)造圖像。

      3 施工方法及技術(shù)措施

      本次槽波地震勘探施工前后歷時共20天,測線長度共計4 010 m,布設(shè)檢波點402道,激發(fā)炮點151個;采集質(zhì)量較好的透射槽波數(shù)據(jù),透視射線的密度高,可覆蓋整個勘探區(qū)域。該工作面煤層槽波發(fā)育較好,室內(nèi)處理解釋工作進(jìn)展順利,基本查明了工作面內(nèi)構(gòu)造情況。

      3.1 施工組織設(shè)計

      結(jié)合本次任務(wù)需要,采用全排列采集方案就可以對工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)異常體進(jìn)行準(zhǔn)確解釋。

      本次81505工作面槽波地震勘探主要沿主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽巷道側(cè)幫布置炮點和檢波器,設(shè)計方案如下。

      檢波點:81505工作面主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽均采用10 m接收道距,共設(shè)計檢波點402個(主回撤通道距離膠運順槽150 m范圍內(nèi),由于泥水較多沒有布置測線)。

      炮點:81505工作面主回撤通道、一號回風(fēng)順槽、切眼及膠運順槽均采用30 m炮間距,設(shè)計激發(fā)物理點135個。在膠運順槽鉆孔中發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)可能存在巖性異常,在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對回風(fēng)順槽炮點進(jìn)行加密,從距主回撤巷道 190 m處開始加密,共加密25炮,炮間距15 m,所以共設(shè)計炮點160個。槽波探測工作面區(qū)域射線密度,如圖4所示。

      圖4 81505工作面槽波探測區(qū)域射線密度Fig.4 Ray density of trough wave exploration area in 81505 working face

      3.2 施工方法

      針對巷道掘進(jìn)情況、煤層的變化趨勢,在實際施工中要求檢波器與巷道側(cè)幫耦合要好。盡量保證檢波點和炮眼位置均靠向煤層的中部,垂直方向距離巷道底板可達(dá)2.5 m。設(shè)計炮孔深為3 m,方向是垂直于煤壁,藥量為300 g,若煤壁有損壞則藥量減為200 g。每個激發(fā)點為放炮點,排列內(nèi)的所有接收點均為接收點。

      本次81505工作面槽波地震勘探實際施工中,共布設(shè)炮點160炮,檢波點402道,S代表炮點,R代表檢波點。

      施工過程中,按測點所標(biāo)記位置布設(shè)儀器和檢波器。檢波器之間用測線進(jìn)行連接,固定在巷道側(cè)幫煤層中。測線布置好后,放炮前其他人員要撤離到安全地帶,放炮由具有井下放炮資質(zhì)的爆破人員負(fù)責(zé),整個施工過程要嚴(yán)格按照安全規(guī)程及此次施工的安全技術(shù)措施及施工方案進(jìn)行作業(yè),待所有激發(fā)點放炮完畢,全面回收設(shè)備后,本次施工井下采集結(jié)束。

      放炮時,部分炮孔處煤壁破碎或靠近管道,為安全考慮,沒有放炮,存在個別啞炮,最終接收炮數(shù)151個。

      測線具體布置方案,見表1、2。

      表1 81505工作面炮點布置一覽

      表2 81505工作面接收點布置一覽

      4 數(shù)據(jù)處理與解釋

      槽波數(shù)據(jù)處理是對槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)數(shù)學(xué)分析、計算,進(jìn)而提高原始槽波數(shù)據(jù)的信噪比,從中提取與解釋、研判目標(biāo)有關(guān)圖像及數(shù)據(jù)信息,從而提高槽波勘探精度,識別異常體性質(zhì)及空間位置。

      4.1 透射槽波能量分析

      槽波在煤層中傳播具有很好的穿透性。當(dāng)工作面內(nèi)煤層巖性相對穩(wěn)定、單一時,槽波能夠穿透大部分探測工作面范圍,能量衰減較為緩慢、易于識別。當(dāng)槽波在傳播過程中遇到陷落柱、斷層、采空區(qū)等異常地質(zhì)構(gòu)造時,槽波能量會發(fā)生明顯改變。以斷層為例,如斷層斷距大于煤層厚度,煤層被完全斷開時,槽波無法穿透到另一盤,會造成槽波能量的迅速衰減;當(dāng)斷層斷距趨于小于煤厚但大于1/2煤厚時,煤層沒有完全斷開,煤層的上下盤之間仍有煤層的連接,這就相當(dāng)于過斷層區(qū)域煤厚變薄,槽波頻散曲線向高頻方向移動,僅有槽波的高頻部分能夠透過斷層面,而低頻部分則被斷層面遮擋住,所以過斷層前后槽波的總體能量降低,能量衰減越多,斷層斷距也越大;當(dāng)斷層斷距在小于1/2煤厚時,大部分槽波是能夠穿透斷層,槽波能量衰減較小,從其中不易觀察到斷層的形態(tài),如圖5所示。

      圖5 槽波透射與斷層斷距的關(guān)系Fig.5 Relationship between trough wave transmission and fault displacement

      本次槽波資料解釋中,利用透射槽波能量對所探測的81505工作面地質(zhì)異常進(jìn)行了分析,針對工作面內(nèi)存在地質(zhì)異常選取S61、S111、S115、S121、S123炮點槽波透射記錄解釋。

      圖6為S61炮激發(fā),R229~R408道接收范圍及槽波記錄,圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強(qiáng),說明S61炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

      圖6 S61單炮接收道槽波記錄Fig.6 Trough wave recording of S61 single shot receiving channel

      圖7為S111炮激發(fā),R24~R125道接收范圍及槽波記錄,圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強(qiáng),而R24~R53道之間槽波能量減弱,為正常的遠(yuǎn)道能量衰減,說明S111炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

      圖7 S111單炮接收道槽波記錄Fig.7 Trough wave recording of S111 single shot receiving channel

      圖8為S115炮激發(fā),R24~R125道接收范圍及槽波記錄,圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強(qiáng),說明S115炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。本炮槽波最遠(yuǎn)傳播距離達(dá)1 200 m。

      圖8 S115單炮接收道槽波記錄Fig.8 Trough wave recording of S115 single shot receiving channel

      圖9為S121炮激發(fā),R24~R125道接收范圍及槽波記錄,圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強(qiáng),說明S121炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

      圖9 S121單炮接收道槽波記錄Fig.9 Trough wave recording of S121 single shot receiving channel

      圖10為S123炮激發(fā),R24~R125道接收范圍及槽波記錄,圖中接收道范圍內(nèi)槽波能量比較強(qiáng),說明S123炮激發(fā)的槽波在接收道范圍內(nèi)并未受到地質(zhì)異常的阻擋。

      圖10 S123單炮接收道槽波記錄Fig.10 Trough wave recording of S123 single shot receiving channel

      4.2 透射槽波能量成像

      槽波是沿煤層可傳播的一種導(dǎo)波,如果煤層中局部區(qū)域與其他區(qū)域之間存在物性差異,就會導(dǎo)致在經(jīng)過這一區(qū)域的槽波在波速或能量上出現(xiàn)差異。

      此次按照81505工作面大小建立一個X為方向1 860 m,Y為方向240 m模型,網(wǎng)格大小是2.5 m。即X方向是744個,Y方向是96個點,每個點代表一個2.5 m×2.5 m的煤層槽波能量。再對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,從中求出槽波從每一個炮點激發(fā)后傳播到每一個檢波點的槽波能量。然后將所有射線的槽波能量帶入到CT算法中進(jìn)行迭代求解,最終可得到此模型上每個網(wǎng)格點的能量分布數(shù)據(jù)。81505工作面槽波地震勘探能量成像,如圖11所示,其中藍(lán)色代表槽波能量正常穿透區(qū)域,紅色代表槽波能量低穿透區(qū)域。

      圖11 81505工作面槽波能量成像Fig.11 Trough wave energy imaging of 81505 working face

      成像結(jié)果解釋推斷原則:槽波能量低穿透區(qū)位置表示該區(qū)域發(fā)育地質(zhì)異常體,槽波能量的相對值一般大于0.8為正常煤層,小于0.6表示存在異常,0.6~0.8之間表示可能存在異常(此處煤層正常表示,煤層內(nèi)不存在規(guī)模大于槽波探測指標(biāo)的構(gòu)造,如不存在落差大于煤厚1/2的斷層或薄煤帶;異常表示,存在規(guī)模大于槽波探測指標(biāo)的構(gòu)造)。圖11中槽波能量相對值大部分區(qū)域在0.9之上,全部區(qū)域大于0.8,說明工作面內(nèi)煤層正常,沒有發(fā)現(xiàn)落差大于煤厚1/2的斷層或薄煤帶,未發(fā)現(xiàn)其它地質(zhì)異常。

      4.3 折射波速度成像

      地震波激發(fā)后,沿煤層頂?shù)装宓恼凵洳ㄒ餐瑯涌梢员唤邮眨?dāng)遇到構(gòu)造帶或應(yīng)力集中區(qū)時,折射波速度會發(fā)生變化。由于折射波速度較大,雷管延遲影響成像效果,對小構(gòu)造的探測精度較低,此方法一般作為輔助分析。81505工作面折射波速度成像,如圖12所示。

      圖12 81505工作面折射波速度成像Fig.12 Refraction velocity imaging of 81505 working face

      由圖可知,折射波速度大都在4 000~4 300 m/s的范圍內(nèi),速度正常,距離切眼1 200~1 500 m范圍速度稍高,約4 350 m/s,靠近主回撤巷道附近速度稍低,約3 950 m/s,仍在正常范圍內(nèi),所以折射波速度圖整體沒有異常顯示。

      5 結(jié)語

      依據(jù)槽波能量和折射波速度成像結(jié)果,并結(jié)合巷道揭露情況,對本次工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行解釋如下。81505工作面周圍巷道未揭露斷層,煤層穩(wěn)定,煤厚變化?。徊鄄ù┻^整個工作面能量沒有明顯減小,說明槽波穿透工作面時未遇到構(gòu)造阻擋,槽波能量成像圖上未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。工作面內(nèi)折射波速度在正常范圍內(nèi),說明折射波傳播過程中未遇到大的構(gòu)造帶,未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。整個工作面回采驗證了此次槽波地震探測技術(shù)在煤礦使用的效果。通過以上結(jié)果綜合分析得出結(jié)論:81505工作面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)落差大于1/2煤厚的斷層及其它地質(zhì)異常狀況。

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