槽波法在賀西井田4號煤層中的應(yīng)用

＊梁鵬林

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司賀西煤礦資源地質(zhì)部 山西 032000）

前言

井下含煤地層主要為沉積巖，包括泥巖、砂巖（粉砂巖、細砂巖等）和灰?guī)r等，其中煤層頂?shù)装宥嘁阅鄮r、砂巖或灰?guī)r為主，井下煤層與周圍巖層相比，煤層具有速度低、密度小的特點。圍巖的地震波縱波速度VP值位于3.0～4.8km/s，橫波速度Vs值位于1.6～2.8km/s，密度ρ值位于2.4～2.8g/cm3，煤層的地震波縱波速度VP值位于1.8～2.4km/s，橫波速度Vs值位于0.9～1.4km/s，密度ρ值位于1.3～1.4g/cm3。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可得，在煤巖層剖面中，會形成一個以煤層為中心的相對低速槽[1]，煤層與周圍巖層之間的密度和速度的比值大約為1.5～3.0，煤層與其頂?shù)装宓纳舷陆缑娲嬖谝粋€非常強的波阻抗分界面。以上為煤層中槽波能夠發(fā)育和形成的煤層與圍巖之間的物理性質(zhì)特征條件。

在井下地層地質(zhì)剖面中，煤層相對頂?shù)装鍑鷰r是一層典型的相對低速度的軟弱夾層，在物理特征中可構(gòu)成一個波導(dǎo)，當(dāng)在煤層中人工激發(fā)了地震體，地震波的一部分能量會在煤層與頂?shù)装褰绲姆瓷浣缑嫘纬啥啻畏瓷?，?dāng)發(fā)生多次全反射時，地震波能量被禁錮在煤層及鄰近的巖層中，導(dǎo)致其能量不能向圍巖繼續(xù)輻射，以上情況中的各種地震波（縱波、橫波及面波等）在煤層槽中進行相互疊加與干涉，最終可形成一個強的干涉擾動，即為槽波，槽波是以煤層為波導(dǎo)，巖煤層槽向前傳播。以上即為槽波形成的完整過程。

本文以賀西井田2417工作面4號煤層及頂?shù)装逦镄蕴卣鳛槔?jīng)過試驗采集地震波數(shù)據(jù)，采用頻散[2]分析等技術(shù)識別槽波的頻率及速度特征，并對2417工作面進行實際探測，進而分析總結(jié)槽波法的實際應(yīng)用效果。

1.槽波地震勘探方法

槽波地震勘探[3]方法屬于井下物探技術(shù)方法的一種，其具有良好的發(fā)展?jié)摿?，且目前在實際生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。該方法的技術(shù)特點有勘探距離遠，對地質(zhì)異常體的分辨精度較高，現(xiàn)場不受電力設(shè)備的干擾，最終成果表達方式直觀，主要是用來探測工作面測區(qū)范圍內(nèi)的斷層、煤層結(jié)構(gòu)變化、陷落柱發(fā)育范圍、褶曲變化等地質(zhì)異常體。

目前槽波勘探方法的基本觀測方式有三類：透射法、反射法及透+反射聯(lián)合勘探法。本文中實際測試時主要采用槽波透射勘探法。槽波透射勘探方法實際探測時，震源一般采用炮震激發(fā)，接收點使用60Hz左右的速度檢波器進行接收，觀測系統(tǒng)布置時炮點與檢波器排列需分別布置于工作面的不同巷道內(nèi)，即在工作面內(nèi)的上巷（下巷）炮震激發(fā)下巷（上巷）接收。數(shù)據(jù)處理與資料解釋時，需先識別炮震激發(fā)透射地震波的透射槽波，然后根據(jù)透射槽波的強弱，根據(jù)槽波能量的衰減強度來判別工作面內(nèi)是否存在地震異常體，一般煤層連續(xù)時槽波能量強且槽波能量軸呈連續(xù)狀發(fā)育，當(dāng)遇到地質(zhì)構(gòu)造時槽波能量減弱且槽波能量軸出現(xiàn)錯斷。最后根據(jù)多次迭代重建技術(shù)進行CT成像，確定槽波能量衰減時穿過地質(zhì)異常體的位置及范圍。

2.試驗性探測

(1)地質(zhì)概況

2417工作面位于二采區(qū)西翼，底板標高為694～770m，地面標高為962.7～1102.5m。起于4#輔助皮帶巷，止于西側(cè)井田邊界。由2417回風(fēng)聯(lián)巷（33m）、2417進料聯(lián)巷（67m）、2417材料巷（1181.8m）、2417運輸巷（1335.5m）、2417切割巷（180.5m）、2417輔助材料巷（154.1m）、2417小切眼（65.8m）構(gòu)成。北側(cè)為34K4，東側(cè)為大巷保安煤柱，南側(cè)為2416回采工作面，西側(cè)為井田邊界，靠近金家莊煤礦，上部為2317采空區(qū)。2417工作面上部西北720～1356m范圍為薛家?guī)X舊村（已搬遷），東南方向為薛家?guī)X瓦斯發(fā)電站。

本工作面在山西組4#煤層中掘進，根據(jù)鉆探資料及井下實測資料，地質(zhì)構(gòu)造簡單，基本呈單斜構(gòu)造及次一級的褶皺構(gòu)造，傾向NW。根據(jù)上部及周邊巷道揭露地質(zhì)情況，預(yù)計在2417工作面掘進過程中揭露斷層情況如下：

（1）F41斷層：預(yù)計材料巷560m位置揭露，正斷層，落差3m，傾向290°，傾角60°；

（2）F42斷層：預(yù)計材料巷630m位置揭露，正斷層，落差1.5m，傾向255°，傾角15°；

（3）F57斷層：預(yù)計運輸巷1210m位置揭露，正斷層，落差1.2m，傾向185°，傾角76°；

（4）F45斷層：預(yù)計運輸巷300m位置揭露，正斷層，落差2.3m，傾向246°，傾角25°。

(2)煤層概況及地球物理條件分析

本次試驗性探測地點選取賀西煤礦4號煤層2417工作面，工作面開采賀西井田4號煤層，煤層平均厚度4.25m，煤結(jié)構(gòu)：1.20(0.25)2.80，夾矸為泥巖。煤層頂?shù)装逶斍橐姳?。

表1 煤層及頂板詳情

2417工作面直接頂板和直接底板均為較堅硬砂質(zhì)泥巖，其中直接頂平均厚度8.49m左右，直接底平均厚度5.16m左右，4#煤層平均厚度4.25m左右，煤層有一穩(wěn)定厚度（0.25m）夾矸。根據(jù)以上煤層及頂板詳細結(jié)構(gòu)分析，2417工作面煤層與其頂?shù)装鍑鷰r的物性（密度、速度）差異較大，煤層與頂?shù)装鍑鷰r的波阻抗差異較明顯。綜合分析，煤層與圍巖間的界面，呈現(xiàn)為良好的地震波反射面，有利于槽波在煤層中傳播。

(3)現(xiàn)場布置

2417槽波勘探試驗采用槽波透射觀測系統(tǒng)，共布置兩條測線，分別為（1）運輸巷和小切眼炮震激發(fā)材料巷與輔助材料巷布置接收測線；（2）材料巷、輔助材料巷和切割巷炮震激發(fā)運輸巷接收測線。本次槽波勘探控制運輸巷自停采線至切眼口長1260m、材料巷自停采線至切割巷口長1100m、輔助材料巷長154.1m、切割巷長180.5m，小切眼長65.8m左右范圍?，F(xiàn)場勘探時炮間距采用20m，道間距采用10m。

運輸巷和小切眼炮震激發(fā)材料巷與輔助材料巷布置接收測線布置炮點時分別對應(yīng)運輸巷0、2、4……126測點位置；小切眼炮點按照20m炮間距進行布置，分別對應(yīng)小切眼1、3、5測點位置；對應(yīng)材料巷與輔助材料巷按照10m間距布置接收檢波點，自0～126結(jié)束，共計127接收檢波點。

材料巷、輔助材料巷與切割巷炮震激發(fā)運輸巷接收測線布置炮點時按照20m炮間距進行布置，材料巷與輔助材料巷常規(guī)炮點對應(yīng)材料巷與輔助材料巷0、2、4……126測點位置；切割巷炮點按照20m炮間距進行布置，分別對應(yīng)切割巷1、3、5……17測點位置。對應(yīng)運輸巷按照10m間距布置接收檢波點，自0～126結(jié)束。共計127接收檢波點。

(4)槽波數(shù)據(jù)分析

本次槽波數(shù)據(jù)分析主要通過原始數(shù)據(jù)對比查看與頻散分析確定槽波的發(fā)育程度，為后續(xù)槽波資料處理及解釋提供一定參考。圖1為本次工業(yè)性試驗槽波S34炮單炮數(shù)據(jù)記錄，圖2為S34單炮記錄中42道數(shù)據(jù)的頻散分析結(jié)果圖。從單炮原理記錄中可以看出4號煤層槽波能量發(fā)育，橫波欠發(fā)育，縱波橫波疊在一起，綜合分析，試驗區(qū)域采用槽波勘探方法有利于槽波的識別與提取。從頻散分析結(jié)果可知，槽波埃里相在100Hz附近，速度800m/s左右，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近，能量軸清晰，其噪聲成分主要在0～40Hz范圍以內(nèi)，有利于槽波提取。

圖1 槽波勘探S34炮單炮記錄

圖2 槽波勘探S34炮42道頻散分析

(5)槽波資料解釋與驗證

槽波透射法的數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)加載、預(yù)處理、建立觀測系統(tǒng)、初至校正與拾取、能量補償、頻散分析、槽波提取、槽波能量衰減反演、CT成像等。經(jīng)過槽波透射法數(shù)據(jù)處理流程可得到槽波透射能量衰減系數(shù)成像圖，見圖3。資料解釋時，首先將槽波透射勘探重的能量衰減系數(shù)[4]CT成像結(jié)果圖與所探測工作的兩巷巷道實測地質(zhì)剖面進行對比分析，沿巷道實測剖面中逐點對比其與巷道實際揭露的煤層、巖層、地質(zhì)構(gòu)造的對應(yīng)程度。如果巷道為全煤則CT成像圖中的能量衰減系數(shù)相對較低，如果受到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育或煤層變薄影響的巷道為全巖或半煤巖時，其能量衰減系數(shù)會相對增大。通過以上方法進行對比，可分析、總結(jié)與驗證能量衰減系數(shù)CT成像圖正確與否，當(dāng)能量衰減系數(shù)CT成像結(jié)果與巷道實測煤巖性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育位置基本對應(yīng)時，CT成像圖用于對工作面面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的解釋。同時，通過槽波透射能量衰減系數(shù)CT成像圖與巷道實測剖面的對比，能夠總結(jié)出工作面內(nèi)斷層、陷落柱、褶曲、煤層變薄帶等不同地質(zhì)構(gòu)造異常的能量衰減系數(shù)發(fā)育特征，確定槽波透射勘探重對異常的劃分標準。最后，根據(jù)以上總結(jié)出的的異常劃分標準，之后可以根據(jù)工作面中兩巷道的走向宏觀劃分槽波能量衰減系數(shù)異常區(qū)，分析槽波異常區(qū)的表現(xiàn)形態(tài)和特征，如小范圍離散狀、條帶狀、面狀等，沿煤層傾向或沿巷道走向；之后，通過進一步分析能量衰減系數(shù)與能量衰減變化特征，在細節(jié)上分析異常區(qū)的分布形態(tài)，并推斷其引起異常變化的地質(zhì)因素。

圖3 槽波勘探能量衰減系數(shù)CT成像圖

根據(jù)以上原則，本次槽波透射探測試驗共解釋2處異常區(qū)，見圖3中的①和②位置處的區(qū)域范圍。在①異常區(qū)內(nèi)工作面材料巷揭露的F41和F42斷層、運輸巷揭露的F45斷層，結(jié)合該資料綜合分析，推斷解釋①異常區(qū)為斷層導(dǎo)致的煤層破碎、煤層變薄等因素影響；在②異常區(qū)內(nèi)未揭露地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合賀西礦為高瓦斯礦資料綜合分析，推斷解釋②異常區(qū)為受瓦斯富集影響導(dǎo)致的應(yīng)力集中影響所致，異常區(qū)內(nèi)煤巖體破碎。

經(jīng)過工作面回采驗證，本次槽波勘探的②異常區(qū)范圍內(nèi)受斷層影響煤層變薄，正常煤層平均厚4.25m左右，煤層最薄區(qū)域1.8m左右，與槽波探測結(jié)果基本吻合。

3.結(jié)論

通過對槽波勘探中槽波形成原理、勘探原理的分析，選定賀西井田4號煤層2417工作面進行槽波勘探工業(yè)試驗，經(jīng)過對4號煤層頂板巖性特征分析及槽波實測結(jié)果綜合分析后,可得如下結(jié)論：

（1）槽波法是一種有效的探測工作面地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展手段，具有勘探距離遠，對地質(zhì)異常體的分辨精度較高，現(xiàn)場不受電力設(shè)備的干擾，最終成果表達方式直觀的技術(shù)特點；

（2）賀西井田4號煤層槽波發(fā)育，槽波勘探應(yīng)用效果良好，可作為一種有效探測地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)手段推廣應(yīng)用；

（3）槽波法探測效果好壞與槽波發(fā)育程度有較大的關(guān)系，在槽波發(fā)育的地質(zhì)條件下其應(yīng)用效果理想，而槽波不發(fā)育的區(qū)域需采用其他解釋手段進行補充，探測效果需驗證分析。