地震槽波勘探技术在开采地质中应用

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摘要：为解决高山煤矿煤层厚度变化大、构造较发育给瓦斯治理和工作面安全生产造成的难题，采用SUMMITⅡ型地震槽波仪，利用透射法对该矿1906工作面进行了地震槽波勘探。结果证明：地震槽波技术适用于高山煤矿复杂地质条件工作面的隐蔽致灾地质因素探测，对矿井瓦斯治理和安全生产具有指导意义。

关键词：槽波地震勘探；透射法；数据处理；煤厚；构造

1槽波地震勘探原理

在煤系地层中，煤层相对于顶底板岩石是一个低速夹层。当在煤层中激发地震波，震波在波阻抗界面会发生全反射，纵波及横波相互干涉形成槽波，提取其波速和传导能力可以准确判断煤层赋存状况。槽波地震勘探因其能量强、探测距离大被广泛应用于工作面内断层、陷落柱等隐伏地质异常的探测以及煤层厚度探测[1-4]。

2工程应用

2.1研究区概况

河南能源贵州公司高山煤矿于2012年投产，核定生产能力60×105t/a，设计服务年限37年，主采二叠系龙潭组4#和9#煤层。矿井地质条件复杂，煤层赋存条件差，断层较为发育，为煤与瓦斯突出矿井。1906工作面位于矿井运输下山西翼，南部为1904工作面采空区，北部和西部为实煤体，标高+1032~+1068m。工作面走向长约760m，倾向宽约150m，可采储量约42×105t。1906回风巷为沿空扩巷，紧邻1904运输巷。1906工作面所采煤层为二叠系龙潭组9#煤层，属无烟煤，属半暗－半亮型煤，煤层呈粉状。工作面煤层倾角约23°，煤厚0.8~6.9m，平均3m。9#煤层直接顶为细砂岩或粉砂岩，直接底板为泥岩或粉砂质泥岩。1906工作面地质构造发育，在运输巷掘进过程中揭露1条落差3.6m、与巷道行的断层。

2.2槽波地震观测系统

为查明高山煤矿1906工作面煤厚变化情况、地质构造发育特征及瓦斯危险性等，采用透射槽波对1906工作面进行探测。在1906工作面回风顺槽内帮设计炮孔60个（S1位于联巷口向里10m处），切眼内帮布置炮孔6个，共设计炮孔66个，孔距均为10m。1906工作面运输顺槽内帮共设计检波器孔29个（G1位于变坡点处），孔距18m，所有检波器孔和炮孔均布置在煤层中。本次地震槽波勘探采用的炸药作为震源，单孔药量150g。透射槽波地震勘探观测系统如图1。

2.3地震数据处理

槽波数据处理时对煤矿井下采集的原始地震记录进行槽波的分离、提取和成像。根据煤层厚度选择合适的频率，在该频率下提取槽波波速分析槽波质量能够对煤厚和断层等地质构造进行定量和定性描述。对于槽波透射数据的基本处理方式主要包括提取旅行时计算波速和波速层析成像两方面内容[5-6]。本次透射法槽波勘探实际施工66炮，采集有效地震记录1914道，但整体数据质量一般。如G15检波点得到共接收点原始地震记录，数据整体槽波震相较弱或不明显，不利于透射数据的处理和分析（图2）。对原始数据预处理的目的是为槽波数据的分析和处理做准备，主要包括数据格式转换、加载观测系统、删除废道、静校正等。

2.4频散分析

槽波的频散特性是指不同频率的槽波具有不同的传播速度，煤厚变化、围岩、夹矸以及构造等都会影响槽波的频散。因此，通过分析槽波的频散特征，可以研究采煤工作面内构造发育情况以及煤厚变化情况[7]。本次数据处理利用高斯小窗函数，采用短时Fourier（即加伯转换）变换将地震信号微分后从时间域转换为频率域来提取槽波信号的频散曲线。G15检波点地震槽波震相及不同质量的频散曲线见图3。

2.5旅行时拾取与有效测区圈定

拾取槽波旅行时要选定适宜的频率。例如在煤层厚度槽波地震勘探中，一般地140~200Hz的槽波对厚度小于1.5m的薄煤区有更好的分辨效果，而100~140Hz的槽波对2~6m的煤厚分辨更好。只有选取适宜的频率来拾取槽波旅行时，才能达到更好的槽波数据处理结果。通过对原始地震记录的时频分析，本次探测选择频率为155Hz的槽波进行层析成像。槽波传播过程中受到破碎顶底板和地质构造的影响会导致传播质量变化，将有效槽波射线上图后可知本次槽波质量整体较好，但在勘探区边界（工作面两端），由于射线密度较小，探测精度较低（图4）。

2.6层析成像

层析成像是在不同方向投射穿过物体且携带物体内部信息的物理信号，利用计算机反演计算技术，对物体内部精细结构进行二维或三维成像。槽波速度层析成像就是对透射槽波的速度参数进行层析成像，来重构煤层的槽波速度场分布。槽波速度层析成像的处理流程包含预处理、加载初始模型、反演算法选择、平滑处理、生成TomCat计算文件、Surfer成图等。具体可分为TomCat反演计算和surfer成图两部分，利用Surfer强大的插值功能和绘图能力，将TomCat计算得到离散的速度数据绘制成等值线图，获得1906工作面155Hz槽波速度分布图（图5）。利用槽波速度等值线成果图，结合有关地质信息，便可对测区地质现象进行解译。

3成果解译

3.1煤层厚度

槽波波速受到煤层厚度和频率的影响，低频槽波和高频槽波分别对厚煤层和薄煤层分辨率更高，而在相同频率下煤层厚度越大则槽波波速越低。在同一频率下提取所有槽波波速进行层析成像可得到槽波波速等值线图，通过将波速与已经揭露的煤层厚度进行拟合可得到煤层厚度等值线图[8]。图6为1906工作面煤厚等值线图，槽波预测煤厚分布图显示：1906工作面上半区段煤层厚度较为稳定，平均煤厚约3m；下半区段煤层厚度变化较大，在有效测区范围存在2处煤厚大于3.5m的厚煤区和2处煤厚小于1.5m的薄煤区。

3.2断层发育

1906工作面仅在运输巷掘进过程中揭露1条断层，该断层落差3.6m，走向与运输巷行，根据速度图显示断层位置槽波质量尚好，且未见明显的槽波速度异常，预测该断层向工作面内部延伸不远。

3.3瓦斯治理关注区

煤层厚度及其变化、断层发育、应力集中等是控制或影响瓦斯富集的重要地质因素，一般而言煤层厚度大瓦斯高，煤层厚度变化快易出现瓦斯梯度异常，槽波质量较差的区域可能存在断层及顶底板破碎情况造成瓦斯赋存异常，槽波波速快而煤层厚度较大时可能存在应力集中区而造成瓦斯偏高。本次综合分析1906工作面槽波速度场、质量场成果，结合工作面揭露的地质信息，圈出了5处“瓦斯治理关注区”。其中，1#、2#和3#是槽波预测的煤厚较大区域；4#和5#处煤层厚度稳定，但是槽波速度较高，分析可能为地应力集中区，也是“瓦斯治理关注区”（图7）。

3.4开采风险区

瑞利波由于形成难度较大，本次地震槽波主要选取勒夫波进行数据处理和分析。煤层顶底板破碎、存在断层及陷落柱等地质构造或煤厚断失等情况会导致槽波无法传导或能量减弱而无法分辨等情况，因此可根据槽波质量的好坏赋以不同颜色显示，采用射线交汇的方法绘制该工作面的槽波质量分布图。槽波质量分布图（图8）显示，该工作面大部分区域槽波质量较好，但在靠近切眼的范围和外段的部分小区域槽波质量较差。较差的槽波质量多由构造发育、围岩破碎或煤厚突变等因素所致，这些区域开采条件一般较差，存在不利于正常开采的因素或一定的开采风险。

4结论

（1）在同一频率下煤层厚度和槽波波速具有负相关关系。利用槽波勘探数据准确预测1906工作面煤层厚度变化，圈定出煤厚大于3.5m厚煤区和煤厚小于1.5m的薄煤区各2处。（2）槽波的质量、频散曲线连续性受煤层稳定性、围岩破碎程度、断层、陷落柱及岩浆岩体等因素影响。综合槽波速度场、质量场分析成果，结合工作面揭露的地质信息，圈出了5处“瓦斯治理关注区”和5处开采风险区，保障了矿井安全生产。（3）受皮带、风筒、管道等工作面施工条件、煤层钻孔稳定性对检波器安装的影响，局部地区采集的槽波数据质量较差，一定程度影响解译效果。此外，瓦斯赋存机理复杂，影响因素较多，且该区系首次开展槽波勘探，经验不足，需进一步开展大量槽波勘探，总结规律，得到更有效的勘探成果。

作者:董良 单位:贵州豫能投资有限公司