槽波地震勘探技术在采煤工作面构造探测中的应用_张国恩.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 槽波地震勘探技术在采煤工作面构造 探测中的应用 张国恩 （国家能源集团神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017205） 摘要采煤工作面构造探测是实现工作面安全高效开采的重要保障。以乌兰木伦煤矿 12404 工作面构造探测为研究背景， 应用采煤工作面槽波地震勘探技术， 优化勘探工艺参数， 通过沿主 运巷、 回风巷和切眼布置激发点和检波点， 共布设接收点 249 道， 测线长度 2 480 m； 采用 20 m 间距， 布置激发点 129 个。采用全排列采集方案接收有效数据， 采集有效数据 129 炮， 经验证数 据全部满足要求。应用透射槽波及反射槽波相结合的方法， 进行数据处理与解释， 得出该工作面 内有 4 条断层， 并无其他地质异常构造， 进一步分析得到了 4 条断层的走向、 落差、 控制延展长 度和控制程度等具体参数。 关键词 槽波地震勘探； 透射法； 地质构造； 槽波透射法； 槽波反射法； 断层 中图分类号 TD166文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0164-05 Application of Slot Wave Seismic Exploration Technology in Coal Mining Face Structure Detection ZHANG Guoen （Wulanmulun Coal Mine, CHN Energy Shendong Coal Group, Ordos 017205, China） Abstract The structural detection of coal face is an important guarantee to realize safe and efficient mining of coal face. Taking the structural detection of working face 12404 in Wulanmulun Coal Mine as the research background, the in-seam seismic exploration technology was applied to optimize the exploration process parameters. Through the arrangement of excitation points and detection points along the main transport lane, return air lane and cut hole, a total of 249 receiving points and measuring line length of 2,480 m were set up. A distance of 20 m was used to arrange 129 excitation points. The full array acquisition scheme was adopted to receive the effective data, and the 129 guns were used to collect the effective data. All the verified data met the requirements. Using the of combined transmission slot wave and reflection slot wave, data processing and interpretation, it is concluded that there are 4 faults in the panel, and there are no other geological anomalies. By further analysis, the strike, drop, length and degree of control of the four faults were obtained. Key words slot wave seismic exploration; transmission ; geological structure; slot wave transmission ; slot wave reflection ; fault 西部是我国煤炭主产区， 煤炭产量占我国 70 左右，并且随着中东部煤炭开采逐步进入深部， 开 采条件愈来愈复杂， 比例还将不断上升[1-2]。目前， 西 部矿区煤炭开采工作面以综合机械化开采为主， 建 成神东矿区、宁东基地等大规模高强度煤炭集中开 采区域，煤炭安全绿色高效开发是煤炭开发的主流 模式。为实现煤炭资源安全高效开采，开展煤层地 质构造精细化勘探，有助于减少安全隐患，为确定 工作面开采工艺和参数提供基础数据支撑。不同学 者针对工作面构造探测，开展了不同的技术研究， 包括无线电波透视技术、电磁波 CT 探测、地质雷 达、 等综合物探等技术， 并成功于工程实践[3-9]。近年 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.036 张国恩. 槽波地震勘探技术在采煤工作面构造探测中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 164-168. ZHANG Guoen. Application of Slot Wave Seismic Exploration Technology in Coal Mining Face Structure De－ tection［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 164-168.移动扫码阅读 164 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1槽波形成原理示意图 Fig.1The diagrammatic sketch of channel wave ation 来，由于槽波地震勘探技术具有勘探距离大、精度 高、抗干扰能力强、波形特征易于识别以及成果直 观的优点， 在断层、 陷落柱、 煤层分叉与变薄带、 采 空区及废弃巷道等地质异常探测，在工程实践中得 到广泛应用[10-12]。但是由于各个煤矿所处区域不同， 煤层赋存地质条件和构造差别太大，采用槽波地震 勘探技术探测地质构造时，必须结合实际，制定可 行的勘探工艺，确定科学合理的参数，以确保勘探 成果符合要求。 以乌兰木伦矿 12404 工作面地质构造探测工程 为研究背景， 全面分了 12404 工作面地质资料， 提出 采用槽波地震勘探技术对工作面地质构造进行探测 的技术方案，设计槽波地震工程布置方案，对工程 技术参数进行优化，开展现场工程实践，对获取的 数据进行处理和解释，得到断层等地质构造情况和 参数， 为工作面安全高效开采提供了基础支撑。 1槽波地震勘探原理 1.1槽波形成和类型 煤层间波导现象是 Evison 于 1955 年在新西兰 煤矿首次发现， 1963 年德国人 Krey 分别从理论和 实践应用方面证明了煤层中槽波的存在，槽波传播 时会形成有限的几种模式， 具有很强的频散特性。 在含煤地层中，煤层速度和密度均低于顶底板 围岩，因此煤层与围岩界面，一般呈现良好的反射 面。在煤层中激发地震波， 所激发的纵波、 横波均以 震源为中心，以球面体波形式向四周传播，并以不 同的角度入射到顶底板界面，槽波形成原理示意图 如图 1。 当入射角小于临界角时，大部分能量将透射到 围岩之中，只有少部分能量反射回到煤层中，返回 到煤层中的能量，在煤层中来回多次反射、透射而 迅速衰减（漏失模式） ；当入射角大于等于临界角 时，则入射到顶、底板界面的地震波能量将全反射 回到煤层，并在煤层中多次反射，最后禁锢在煤层 之中 （正常模式） 。在煤层这个低速槽内向外扩散传 播， 其中上行、 下行波在煤层中相互干涉、 迭加， 多 数谐波成分相互抵消， 削弱， 而逐渐消失； 只有满足 一定条件的各种谐波，在槽内相长干涉而形成垂直 于煤层面的驻波， 在煤层内不断向前传播， 形成了槽 波 （煤层波） 。 由于不同体波干涉， 形成的槽波具有不同特点， 将槽波分为 2 种， 槽波基本类型及质点振动如图 2。 1） 瑞利型槽波 （R 波） 由 P 波与 SV 波相互干 涉形成， 其质点是在垂直于煤层， 包含射线的平面内 作椭圆形逆行极化。 2） 勒夫型槽波 （L 波） 由 SH 波干涉形成， 其质 点是在平行于煤层平面、垂直于传播方向的平面内 作线性极化振动。 槽波同散频面波一样，可以直观地看成是平面 体波在煤层与围岩界面上多次反射、折射和规则干 涉的结果。在煤层中激发出地震波时，槽波沿着围 岩-煤层-围岩地层结构传播， 其波长与煤层厚度为 同一数量级。由于围岩与煤层的速度比和密度比不 同， 在煤层的垂直距离上， 槽波振幅是不同， 由于低 速地震槽和其直接条件的限制，槽波的振幅随着到 震源距离的增加而产生衰减。 1.2槽波地震勘探方法 槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播导 波， 探查煤层不连续性， 可以用于小断层、 陷落柱、 煤层分叉与变薄带、 采空区及废弃巷道等地质异常， 具有勘探距离大、 精度高、 抗干扰能力强、 波形特征 易于识别以及成果直观的优点，尤其在勘探精度和 距离上优于坑透等煤矿井下勘探方法，槽波透射法 和反射法是目前应用广泛的 2 种勘探方法。 1） 槽波透射法。采用从震源透过煤层传至接收 点的直达槽波信号。激发点与接收点布置在采区周 图 2槽波基本类型及质点振动 Fig.2The types of channel wave ation and particle vibration 165 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 围不同巷道内，根据槽波有无、强弱来判断在相应 的透射射线扇形区内有无构造异常，同时，通过对 正常透射槽波的分析，为反射法数据处理及解释提 供参数等，勘探距离可达煤厚的几百倍，实际勘探 最大距离 1 600 m。槽波透射法勘探示意图如图 3。 2） 槽波反射法。该方法有效波是反射槽波信号。 如果槽波在煤层中传播遇到了煤层中的不连续体， 即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差异） 的分 界面， 就会产生反射槽波信号。因此， 识别出这些反 射槽波信号就能直接判断出煤层不连续体的位置， 激发点与接收点布置在同一巷道内，最大优点是可 以在 1 条煤巷中向两侧进行小构造的勘探。槽波透 射法与槽波反射法是相辅相成的，联合应用效果较 好。槽波反射法勘探示意图如图 4。 1.3地质构造的解释与评价标准 CT 技术是一种断层扫描的技术， 根据物体横断 面的一系列投影数据，通过计算机处理得到物体横 断面的图像，从而得到物体内确切位置上的各物质 物性的信息。槽波地震 CT 是通过分析、 观测地震波 的运动学和动力学特征，获得沿射线路径上介质物 性信息的重要方法。根据不同的研究目的，利用人 工地震也可以借助于天然地震来获得不同条件地下 介质的分层或构造图像， 用来分析不同地质构造。 1.3.1断层解释和评价 1） 断层识别。根据透射槽波能量中断、 变弱， 结 合成像结果中条带状形特征识别断层； 也可通过反 射槽波线型反射的出现来识别。 2） 断层相对落差的判定。断层断距大于煤层厚 度时，煤层被完全断开，则槽波无法穿透到达另一 盘， 造成槽波能量的迅速衰减； 当断层断距小于煤厚 但大于 1/2 煤厚时， 煤层没有被完全断开， 煤层的上 下盘之间仍有煤层连接， 能量衰减的越多， 则断层的 断距也越大； 当断层断距小于 1/2 煤厚时， 大部分槽 波能够穿透断层， 槽波的能量衰减较小， 从中不易观 察到断层的形态。 3） 断层控制程度评价。①可靠断层 在单炮记 录、 图像上反映清晰的断层； ②较可靠断层 在在单 炮记录、 图像上均有反映， 但不够清晰的断层； ③控 制程度较差断层只在单炮或图像上有反映，但不 够清晰的断层。 1.3.2陷落柱及其他地质异常体 根据透射槽波能量中断、 变弱， 结合成像结果中 圈闭状特征识别陷落柱。也可通过反射槽波弧形短 反射特征的出现来识别。陷落柱的控制程度分 3 种 可靠陷落柱、 较可靠陷落柱、 控制程度较差陷落 柱， 其评价方法与断层评价方法相同。 结合勘探区实际情况， 对岩浆岩岩墙、 挠曲、 采 空区等其他地质构造现象进行解释。根据其在单张 图像上的显示特征，予以识别。其他地质异常体的 解释与评价可参照断层、 陷落柱的解释与评价方法。 2工作面概况 乌兰木伦矿 12404 工作面走向长度 2 090 m， 宽度 290 m，工作面煤厚 2.0～3.0 m，平均厚度 2.4 m， 煤层结构简单， 倾角 1～3。煤层厚度变化较大， 井田内广泛发育，属于稳定煤层，煤岩类型为半暗 型煤。煤层顶底板岩石的质量较好， 岩体较完整， 力 学强度较低， 以软弱岩石为主， 岩石稳固性较差。 含煤地层是典型的层状结构，在垂直岩层方向 上含煤地层之间的物性差异明显。在含煤地层中， 与围岩相比煤层具有速度低、密度小的特点。煤层 上下界面都是 1 个极强的波阻抗分界面，并形成了 以煤层为中心的低速波导层，煤层作为波导层对地 图 3槽波透射法勘探示意图 Fig.3The exploration diagrammatic sketch of wave seismic transmission 图 4槽波反射法勘探示意图 Fig.4The exploration diagrammatic sketch of channel wave reflection 166 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 震能量的致导水平在很大程度上决定于煤层与上下 围岩波阻抗的差异大小。 本次槽波探测区域为 12404 工作面切眼向主撤 通道方向 1 000 m 范围， 查明探测范围内落差≥1/2 煤厚的断层。通过探测该区域内是否存在地质构 造， 指导工作面开采工艺设计， 确保安全高效生产。 3工作面槽波地震勘探工程实践 3.1工程布置和工作量 通过分析乌兰木伦矿相关地质资料，槽波勘探 沿主运巷、回风巷和切眼布置激发点和检波点进行 布设。经过计算测试，采用全排列采集方案可最大 限度地接收有效数据。槽波勘探测点布置见表 1。 1） 接收点 采用 10 m 接收道距， 沿主运巷、 回 风巷和切眼布置， 共布置接收点 249 个， 测线长度 2 480 m。 2） 激发点 采用 20 m 间距， 沿主运巷、 回风巷 和切眼布置， 孔深 3 m， 孔径 42 mm， 共布置激发点 129 个。 3.2施工工艺 实际施工中， 将检波器对接到巷道锚杆露头上， 与锚杆耦合良好； 孔深 3 m， 方向垂直于煤壁， 药量 0.3 kg； 每个激发点激发， 所有的接收点均接收， 数 据采集采用西安研究院存储式无缆遥测地震仪 （YTZ-3） ， 采样间隔 0.25 ms， 记录长度 2 s。 1） 打孔要求和装药量。 ① 严格按照施工设计布 置测点，红色喷漆标示激发点位，白色喷漆标示接 收点位， 严格按照标定点位， 定点打孔； ② 钻孔定位 为巷道壁上方靠近顶板处， 孔深 3 m， 孔径 42 mm， 垂直于煤壁方向； ③ 所有钻孔在装入炸药之前都先 将钻孔中煤粉排除干净，以便顺利将炸药装到孔 底； ④ 每孔炸药量 0.3 kg， 总炸药量 38.7 kg。 2） 现场工程量。本次 12404 工作面槽波地震勘 探共采集槽波有效数据共 129 个激发点；测点布设 249 道， 测线总长度 2 480 m， 完成了设计工作量， 采 集数据经验证全部合格。12404 工作面槽原始数据 如图 5。通过对本次采集的原始资料进行检查， 12404 工作面施工激发点检测记录表见表 2， 达到了 本次探测的要求。 3.3数据处理与解释 槽波数据处理是对槽波数据进行有关的数学分 析和计算， 提高原始槽波数据的信噪比， 并从中提取 与解释目标有关的图像及数据信息，提高槽波勘探 的精度， 识别异常体性质及空间位置。 采用透射槽波及反射槽波相结合的方法分析处 理，对探测区域内的构造情况进行了解释。通过综 合分析，本次工作面槽波勘探共解释断层 4 条。 12404 工作面断层井下槽波探测构造解释图如图 6。 槽波地震勘探数据解释表明，乌兰木伦矿 12404 工作面含断层 4 条，并得到了断层的走向及 延展长度。各断层主要情况如下 1） CF1断层。由主运巷导线点 04y15 以西 50 m 位置向工作面内延伸 770 m，落差大于煤厚，走向 NW， 反射槽波及透射槽波探测均有明显反应， 控制 程度较为可靠。 2） CF2断层。 由主运巷导线点 04y13 延伸至辅运 巷导线点 04H21 以西 20 m， 落差大于煤厚， 工作面 内延展长度约 310 m， 走向 NNE， 在透射槽波探测中 表 1槽波勘探测点布置 Table 1Arrangement of in-seam wave exploration points 巷道 名称 炮点 编号 炮点间 距/m 炮数 接收点 编号 接收点 间距/m 接收 点数 主运巷 切眼 回风巷 总计 S05～S59 S60～S73 S74～S133 20 20 20 55 14 60 129 R02～R107 R108～R135 R136～R250 10 10 10 106 28 116 249 表 212404 工作面施工激发点检测记录表 Table 2Test record sheet for construction excitation points of 12404 working face 检查类别实际检查结果检查比例/ 爆炸信号准确 初至清晰 背景平静 坐标符合 正常道数大于总道数 129 129 127 129 129 100 100 98.40 100 100 图 512404 工作面槽原始数据 Fig.5The channel wave data of 12404 coal mining face 167 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 反应明显， 控制程度较为可靠。 3） CF3断层。由主运巷导线点 04y20 以西 30 m 位置向工作面内延伸 200 m， 与 CF1断层相交， 落差 大于煤厚， 走向 NNE， 在透射槽波探测中反应明显， 控制程度较为可靠。 4） CF4断层。由主运巷导线点 04y19 以东 50 m 延伸至辅运巷导线点 04H16 以东 15 m， 落差大于煤 厚， 工作面内延展长度约 335 m， 走向 NNE， 在透射 槽波探测中反应明显， 控制程度较为可靠。 本次勘探未发现其它地质异常。 4结语 1） 采用采煤工作面槽波地震勘探技术， 得到 12404 工作面内有 4 条断层，并无其他地质异常构 造， 进一步分析得到 4 条断层的走向、 落差、 控制延 展长度和控制程度等具体参数。 2） 槽波地震勘探解释的得到的断层的延展长度 仅是具有一定的不确定性，推测断层的平面摆动位 置可能有存在偏差，在工作面回采过程中需要进一 步对对槽波解释的断层进行回采验证。 3） 由于 12404 工作面煤层较薄， 槽波地震勘探 对小于 1/2 煤厚断层的反映不明显，工作面内还可 能存在小于 1/2 煤厚断层，回采时仍需需要加强对 监测。 4） 在采掘生产过程中把槽波地震勘探解释成果 验证情况及时进行总结，以利于对槽波地震资料所 反映的各种地质信息进行进一步分析、研究，从而 掌握本区的地质规律，使资料解释更加准确可靠， 更好地为矿井采掘生产服务。 参考文献 ［1］ 顾大钊， 张勇， 曹志国.我国煤炭开采水资源保护利用 技术研究进展 ［J］ .煤炭科学技术， 2016， 44 （1） 1-7. ［2］ 谢克昌.中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究 ［M］ .北京 科学出版社， 2014. ［3］ 李焕民.无线电波透视技术在工作面构造煤探测中的 应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2009， 37 （3） 100-102. ［4］ 吴荣新， 张平松， 刘盛东， 等.矿井工作面无线电波透 视 “一发双收” 探测与应用 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （S1） 170-174. ［5］ 张磊.复杂地质条件下回采工作面隐伏构造长距离探 测 ［J］ .矿业安全与环保， 2012， 39 （4） 71-73. ［6］ 李江华， 廉玉广， 焦阳， 等.综合物探技术在工作面导 水构造探测中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （3） 129-132. ［7］ 王连成， 高克德， 李大洪， 等.地质雷达探测掘进工作 面前方瓦斯突出构造 ［J］ .煤炭科学技术， 1997， 25 （11） 13-16. ［8］ 彭苏萍， 凌标灿， 刘盛东.综采放顶煤工作面地震 CT 探测技术应用 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2002， 21 （12） 1786-1790. ［9］ 牟义.综采工作面带压区域电磁波 CT 探测小构造技 术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （12） 69-75. ［10］ 焦阳， 卫金善， 李梓毓， 等.槽波反射法在断层探测中 的应用研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （11） 192. ［11］ 任亚平.槽波地震勘探在煤矿大型工作面的应用 ［J］ . 煤田地质与勘探， 2015， 43 （3） 102-104. ［12］ 段天柱.透射槽波层析成像在煤矿工作面隐伏构造 探测中的应用 ［J］ .矿业安全与环保， 2018， 45 （2） 68-71. 图 612404 工作面断层井下槽波探测构造解释图 Fig.6The channel wave data interpretation for 12404 mining face fault of Wulanmulun Coal Mine 作者简介 张国恩 （1977） ， 山西吕梁人， 高级工程师， 工程硕士，2013 年毕业于山东科技大学， 现任国家能源集 团神东煤炭集团乌兰木伦煤矿副总工程师，从事采掘技术 管理工作。 （收稿日期 2020-04-16； 责任编辑 陈洋） 168 ChaoXing