槽波地震勘探技术在工作面小构造探测中的应用_乐勇.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COAL GFOLOGY 2.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京100101 摘要小构造是导放煤炭资源田采困难及煤矿安全事故的主要原因．利用槽泼地震勘探技术，对 义安煤矿11061工作面进行了透射法探测．通过CT成像可以分辨工作面内与煤辱相当的小构造， 同时还能获得围岩高应力区及瓦斯富集带等地质信息．探测结果可作为煤矿安全回采的依据． 关键词槽泼地震勘探；小构造；透射法；CT成像 中图分类号P631文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.04.018 Application of ISS in detection of small structures in working face LE Yong1, WANG Wei2, SHEN Qingchun1, LYU Dongliang1 1. Henan D叩ouEnergy Group Co., Lt，丛Yima472300, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Nature Rιrources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China Abstract Small s位uctureis the main cause that makes coal resource recovery difficul and induces coal mine safety accident. ISS In-Seam Seismic exploration technology was used to detect the working face 11061 in 币’ancoal mine .Small s位ucturewhose dimension is as the same as the coal seam thickness and are of high rock stress as well as mine gas abundante zone in working face could be discovered using ISS CT technology. The result can serve as reference for safe recovery of coal resource in coal mines. Key words ISS exploration; small structure; transmission ; CT imaging 随着煤矿生产安全要求和机械化程度的提高， 工作面内部小构造引起的安全和生产问题越来越突 出。据国内外资料，造成开采不能正常进行的地质 问题绝大部分是勘探阶段未探明的小构造。这些小 构造主要有落差小于5～10m甚至与煤厚接近的小 断层、小榴曲、煤层内的陷落柱、煤厚变薄带、岩 浆岩侵入、老空等［J-2］。槽波地震探测技术分辨率高、 探测距离大，能够探明煤层的不连续性，如断层破 碎带、煤层厚度变化、肝石层分布、剥蚀带、古河 床冲刷带和岩墙等构造（3-4］，是一种有效的小构造探 测方法。 1 槽波地震勘探原理与方法 槽波是一种频散波，它是在一定的围岩、煤层物 性组合下产生的。在煤系中，煤层与围岩相比具有速 度低、密度小的特点［坷。煤的密度一般为1.2-1.5g/cm3, 纵波速为1400-2 700 mis，横波速为800～1600 mis, 而煤层顶底板大多是岩化程度较高的泥岩或灰岩， 其密度较大，通常为2.2～2.8g/cm3，纵波速为1800 收稿日期2012-06-23 基金项目国家自然科学基金项目（41130419 5 000 mis，横波速为1600-4 000 mis。在地质剖面 中，顶底板岩层上下界面构成了高波阻抗界面，煤 层是一个典型的低速夹层，因此，在物理上构成一 个“波导”。当煤层中激发的体波（包括纵波与横波） 的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤 层及其邻近的岩石中（简称煤槽），不向围岩辐射， 在煤层中相互叠加、相长干涉，形成一个强的干涉 扰动，此即为槽波（图1）。槽波以煤层为波导沿煤层 向外传播，故槽波又称煤层波或导波（5-6］，其传播距 炮点 图1槽波形成示意图［3] 煤层v, V与＜V, 底板v, Fig. 1 Sketch of In-seam wave ation a-.功才波入射角；庐世射波透射角；io→临界角；Vi、的介质波速 作者简介乐勇（1986.－），男，河南信阳人，助理工程师，从事矿井物探工作． ChaoXing 第4期乐勇等槽波地震勘探技术在工作面小构造探测中的应用 75 离远，能量强，波形特征易于识别，具有明显的频散 特征。槽波的频散特征里携带有围岩、煤层的速度和 结构信息。通过对获得的槽波记录进行频散分析，不 但可以证实煤层中槽波存在与否，还能用来对煤层中 的地质构造及异常现象进行探测。 槽波地震勘探是利用在煤层（作为低速波导）中 激发、形成和传播的槽波来探查煤层不连续性的一种 地球物理方法。根据勘探目的与布置方式不同，槽波 勘探方法分为透射法槽波勘探和反射法槽波勘探。 如图2所示，激发点（炮点）布置在工作面的一 个巷道内，接收点（检波器）布置在工作面的另一个 巷道内，接收来自炮点的地震波透射信息。 住道 检波糕（接收点） 工作面 答道 图2 Fig. 2 Plan sketch of principle of transmission exploration 透射法主要用于探测工作面内地质结构和内部 异常，包括煤层厚度变化、夹肝石分布、断层、陷 落柱、剥蚀带、古河床冲刷、岩墙、老窑等，在某 些情况下还可以判断煤层内部压力相对变化。透射 法的最大探测距离是煤层厚度的300倍。斗。］。 2 应用实例 2.1 工作面概况 义安煤矿11061工作面设计走向长1090 m，倾 向宽135m，主采二叠系下统山西组二1煤层。二1煤 基底不平，煤厚变化较大，在该工作面煤厚为 1.08.0 m，平均为5.6m。煤层呈粉末状，少量块状， 结构简单，局部含夹肝一层。该工作面二l煤层伪顶不 发育，直接顶为砂质泥岩，厚0-0.7m，向上为灰白 色中粒砂岩（大占砂岩）厚12.8～17.4m。二l煤层伪底为 砂质泥岩，厚度0.47m，向下为粉（细声如岩，夹在l、质泥 岩、泥岩薄层，厚度9.9m，再向下为lq灰岩，厚5.0m。 该工作面掘进过程中，轨道顺槽与胶带顺槽均 揭露有数条落差在0～10m的小断层及规模相当的 小槽曲。根据己揭露及相邻区域的地质资料推断， 该掘进工作面内部有可能存在小型隐伏地质构造。 2.2 勘探设计 为进一步查明11061工作面内部的地质构造情 况，对11061工作面外部420m进行透射法槽被地 震勘探，施工设计见图3。设计轨道顺槽激发（放炮）， 炮间距为10m，采用矿用瞬发雷管，药量150g/炮； 胶带顺槽接收，检波器间距20m，采用双分量检波 器接收，接收方式为每一次激发全部检波器同时接 收。设计勘探长度420m（接收排列长度）。详细勘探 参数如表1。 表1勘探参数 Table 1 Explora创onparameters 项目位置数量间距Im钻孔参数Im 激发（S轨道顺槽36炮（Sl-83610 孔深2 接收（G胶带顺槽22个Gl-G2220 孔深2，直径0.55 2.3 数据处理 数据处理采用美国SPW软件，原始数据以sg2 格式保存，经滤波、抽道集、频散分析、CT成像等 数据处理流程，最后得到槽波波速分布图。 由于不同的波在煤层中传播速度不同，原始槽 波记录上首先接收到的是P波，然后是S波，接下 来就是槽波，最后是槽波中的艾里相（Ai可phase）。 艾里相（Ai可phase）频率高，速度慢，是判断槽波接 图311061工作面透射法槽波地震勘探设计图 Fig. 3 Plan ofISS transmission exploration of working face 11061 ChaoXing 76 煤田地质与勘探第41卷 收质量好坏的一个标志。如果接收到艾里相明显， 则可判断接收到槽波质量较好，说明煤层稳定，煤 厚较大；如果接收到艾里相（Airyphase）不明显或接 收不到，则说明槽波受到了扰动，可能是构造或煤 厚变化所致。如图4所示，对从井下获得的槽波原 始数据进行初步处理与分析，可得到煤层中槽波接 收质量较好区域和槽波受到干扰的区域在S20处 激发，GI-GIO接收到艾里相明显，槽波质量较好； Gll-G15接收到艾里相比较明显，但受到一定扰 动；G16以后无法接受到艾里相，说明该区域槽波 传播过程中受到扰动；S29处激发，Gll-Gl7区 域接受不到艾里相，其他区域艾里相明显；S26处 激发，Gl5-G22区域接受不到艾里相，其他区域 艾里相明显。 S20 1-22X-component,23-44 Y-component 5 IO 1 _ 5 20 25 30 35 40 S291-22X-component,23-44Y-component 5 10 1_5 20 25 30 35 4_ 0 S261-22X-component,23-44Y-component 5 10 15 20 25 30 35 40 。 100 200 300 a b c 图4槽波原始记录 Fig. 4 ISS raw data a 820-FFNField File Number35第35个原始记录是在激发点S20处激发得到的，原始记录编号与激发点编号不一致； b-S29-FFN17; c-S26-FFN23 2.4 频散分析 频散分析实质上是从实测透射槽波原始记录中 提取群速度和相速度曲线，一般以数值计算方法最 好。以群速度为例，计算槽波群速度的关键在于选 取透射法槽波记录中任一时刻t槽波波列的优势频 率β，利用 Uj♀）＝xlt 即可求得群速度Uj坊。式中x为炮检距。 如图5所示，槽波高速区（约2200 mis）对应 的煤厚为2m，优势频率为250Hz；槽波低速区 （约I000 mis），对应的煤厚为5m，优势频率为 26 00 I 125Hi 24 00 22 00 20 00 俨1800 “ ., 1600 鹊1400 12 00 10 00 800 600 O O I 00 200 300 400 500 600 700 频率/Hz 图5煤厚与频散对应关系图 Fig. 5 Frequency dispersion coπesponding to coal seam thickness （煤厚从右至左依次为1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、4.5和5.0m 75 Hz。2-5m的煤厚变化，其对应切线斜率最大， 对煤厚125Hz主要反映煤层厚度在变化最敏感。结 合图6，综合考虑选用125Hz优势频率进行成像。 2.5 CT成像与资料解释 图7是用125Hz对应的波速进行成像，通过分 析可知 a.在工作面右半部，激发点Sl-Sl9之间为低 速区，波速值在900～1200 mis，可知该区煤层比较 稳定，煤层较厚。根据巷道及钻孔揭露，该区煤厚 在6～7m。 b.在工作面左侧，炮点S25-S30之间是一高 速区，速度值在I700-2 200 mis。此高速区宽度从 运输巷道向通风巷道方向扩展。该高速区是11061 工作面内煤层最薄、断层发育的地区，根据瓦斯监 测结果该高速区也是瓦斯含量最高的地区。高瓦斯 含量可能导致勒夫波速增高。 c.在上述高速区右侧，炮点S20-S26之间是 一中速区，速度值在1－00～1800 mis变化，该中 速区两侧的速度梯度带是、断层发育区。高速区左 侧，炮点S30-S36之间也是中速区，也有一速度 梯度带存在。 d.在工作面左下方出现低速区，在此区煤层加 厚到Sm以上，与巷道实际揭露煤厚资料一致。 ChaoXing 第4期乐勇等槽波地震勘探技术在工作面小构造探测中的应用 77 125Hz 125Hz 125Hz 2800 2 600 2400 [2200 I 800 量 1600 1400 I 200 I 000 800 600 50 150 250 350 450 550 650 50 150 250 350 450 550 650 50 I 50 250 350 450 550 650 频率/Hz a 频率/Hz b 频率/Hz c 图6频散分析 Fig. 6 Frequency dispersion analysis 「S2←G5,125Hz对应群速度为1100田s;b-S29-G6, 125Hz对应群速度为1400mis；「S26-Gl4,125Hz对应群速度为2100mis. 、。寸N0 00、。寸NO o。由寸N0 F，、e叫..，＜，、p、ar、ae、ar、.C、，－－鸣’－-－”。。＇嗖re、， 的的的的的町的町的的町的町的的町的的 120 100 E 80 刨60 惧 40 20 2 300 1900 1400量 I 100 800 G22 G20 Gl8 G16 Gl4 Gl2 GIO G8 G岳G4G2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 长度／m 图711061工作面透射法槽波地震勘探波速分布图 Fig. 7 Image of velocity distribution for ISS transmission exploration in working face 11061 3结论 a.井下槽波地震探测精度高，可以分辨规模与 煤厚相当的小断层或地质异常体，还可获得工作面 内部其他地质信息，包括断层破碎带、榴曲、夹肝、 煤厚变化、瓦斯富集区及老空区边界等。 b.井下槽波地震探测距离大，可以很好解决现 有探查构造物探仪器探测距离不足的问题。 c.井下槽波地震勘探布置方式灵活多变，可以 探明工作面内部与巷道成任意夹角的地质异常。 参考文献 [l] KREY TC. 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