槽波勘探技術在厚煤層構造探測中的應用

高國芹

(中國煤炭地質總局水文地質局第一水文地質隊，河北邯鄲 056004)

0 引言

隨著采煤技術的發展，現今煤礦采寬超過200m的工作面越來越常見，回采前對隱伏地質構造的探查工作愈發重要[1]。準格爾煤田北部帶壓開采區域內斷層及陷落柱發育程度較高，使得該區域防治水形勢極為嚴峻。本文以鄂爾多斯某煤礦F6206工作面為例，對不同觀測系統下槽波的觀測精度問題進行探討，為進一步提高槽波勘探的分辨率和精度奠定了基礎。

1 槽波地震勘探原理

槽波地震勘探技術是礦井地球物理勘探方法中較為行之有效的方法之一[2]。它具有探測距離大、精度高、抗電干擾能力強、波形特征較易識別以及最終成果直觀的優點[3]。

在地質剖面中，煤層是一個典型的低速夾層，在物理上構成一個“波導”。煤層中激發的部分能量由于頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層及鄰近的巖石(簡稱煤槽)中，如圖1所示。槽波地震勘探就是利用在煤層中激發和傳播的導波，以探查煤層不連續性的一種地球物理方法[4]。

圖1 槽波形成示意圖Figure 1 Schematic diagram of in-seam wave formation

探的基本觀測方法有兩類：透射法與反射法。它們的原理都很簡單。由震源在煤層中激發的槽波，沿煤槽傳播。如果工作面或巷道前方煤層不連續，波導就完全或不完全阻斷，槽波遇到這些阻斷面時，就將產生反射或部分反射。因此，槽波不能有效地透過異常體形成正常的透射槽波，或者觀測不到透射槽波。

透射法(圖2)測量中，震源與檢波器(排列)布置在不同的巷道內。在一條巷道內激發，在另一條巷道中接收通過采區或盤區的透射槽波。根據透射槽波的有無或強弱，來判斷震源與接收排列間射線覆蓋的扇形區內煤層的連續性。當斷層落差大于煤厚時，煤層波導完全阻斷，一般接收不到透射槽波；在落差相當于煤厚30%～70%，煤層波導部分阻斷，接收到的透射槽波能量較正常情況下有不同程度的減弱，有時速度也發生變化。目前在厚1～3.5m的中厚煤層中，最大透射距離可達1 000m以上[5]。

圖2 透射槽波勘探示意圖Figure 2 Schematic diagram of transmitted in-seamwave prospecting

2 實例分析

2.1 工作面概況

鄂爾多斯某煤礦F6206工作面走向長度為2 160.9m，傾向長度為240.3m，工作面開采太原組6#煤層,工作面總體呈東高西低，煤層底板所承受的最大水壓為0.393MPa，同時該工作面運輸順槽掘進中在322m處揭露斷層，落差10m，根據出水水質化驗情況，可初步判斷溝通灰巖水。綜上所述，該工作面存在奧陶系灰巖突水的威脅。

2.2 槽波勘探觀測系統

本次槽波勘探采用透射法施工(圖3)，炮點及檢波點分布于運輸順槽、輔運順槽及切眼內。目前傳統的槽波勘探常采用30m炮點距，20m檢波點距進行施工。本次勘探為達到研究不同炮點檢波點距及單邊與雙邊放炮對勘探效果影響的目的，我們以10m炮點距及10m檢波點距的布置方式進行了高密度的數據采集工作，整個工作面槽波地震勘探共采集槽波有效數據483炮，檢波點布設434道。槽波儀采用存儲式無纜遙測地震儀(YTZ-3)，采樣間隔0.25ms，記錄長度2s，每炮炸藥量為0.2kg，每個炮點激發，所有接收點均接收數據[6]。

圖3 S607炮槽波能量異常區域Figure 3 S607 shot in-seam wave energy anomalous zone

后期以固定間隔抽取單數或雙數、單邊或雙邊的炮點記錄進行反演解釋工作，達到研究不同觀測系統下槽波勘探精度的目的。

2.3 資料處理與解釋

槽波數據的處理主要有對各個單炮記錄進行抽道集重排，使井下記錄轉換成共炮點記錄(CSP)、共接收點記錄(CGP)，進行文頭編輯、道數據編輯、二次采樣、噪聲剔除、頻譜分析、初至識取等處理過程。本次槽波的數據處理采用2.5m×2.5m網格單元的劃分[7-9]。

本次槽波的反演采用特征值反演方法。該方法是對單炮記錄上槽波進行識別和能量計算，根據每道地震記錄上槽波的有、無及能量大小來賦予不同的特征值。通過網格劃分計算出工作面內不同網格內槽波的傳播情況，從而分析工作面內構造發育的情況[10]。

根據目前主流的觀測系統布置方式如單邊放炮、20m炮點距采集等觀測方式進行了炮點數據的抽取，并統一通過特征值反演方法得到了如圖4所示，其中圖4a和圖4b分別為抽取輔運順槽單巷放炮記錄，抽取運輸順槽單巷放炮記錄，以20m炮點距抽取兩巷炮點記錄以及未做抽取的炮點記錄的特征值CT層析成像圖[11-13]。圖中橫坐標為巷道內的測點編號，縱坐標為采面寬度，圖中虛線所圈定的綠-白色區域代表了低特征值的槽波能量異常區域。

1)通過對比圖4a與圖4b中不同單巷放炮的成果圖可以看出，地質異常的主體范圍基本一致，但也存在較大的差異性。產生這種差異性的原因可能：一是現場巷道條件的差異性，二是不同區域覆蓋次數分布的不均勻性所致。同時從該試驗可以直觀的看出，理論上單邊加密放炮即可以取代雙邊放炮的檢炮互換理論在實際生產中會受環境、地質條件等因素的影響形成多余的虛假異常區，其可行性有待商榷。

2)通過對比圖4a、圖4b及圖4d中單邊與雙邊放炮的成果圖可以看出，雙邊放炮所得成果分辨率更高，異常區的圈定更為精準，這也得益于雙邊放炮所形成的高覆蓋次數及雙邊放炮的高糾錯能力。

圖4 不同觀測系統下的槽波勘探CT成像Figure 4 In-seam seismic prospecting CT imaging under different field setups

3)通過對比圖4c及圖4d中不同炮間距雙邊放炮的成果圖可以看出，上述兩種裝置的異常范圍較為接近，但20m炮間距所得成果分辨率明顯低于10m炮間距，因此推測高密度的炮間距布置對于大采寬、煤層厚的的工作面具有較為重要的作用。

3 結語

通過對不同炮點檢波點距及單邊與雙邊放炮對勘探成果的影響程度的試驗研究，可以發現：

1)理論可行的檢炮互換理論在實際生產中的應用效果仍有待商榷。

2)在煤層厚度大、采寬大的工作面要取得較好的勘探效果，減小炮間距，進而增加覆蓋次數是一種行之有效的方法。