槽波地震勘探技術在山西壽陽段王煤礦中的應用

王志斌，張海波

（1.山西壽陽段王煤業集團有限公司，山西晉中 030600；2.新疆邢美礦業有限公司，新疆巴音郭楞蒙古自治州841000）

段王礦在巷道掘進及工作面回采過程中，頻繁遇到陷落柱、斷層等地質構造，由于煤層厚度有限，斷層或陷落柱等構造會把煤層部分或完全斷開，給回采工作帶來一定的安全隱患，造成不必要的經濟損失，因此，在090606 工作面回采前采用井下槽波地震勘探技術對工作面內部進行探測，找出隱伏構造存在的區域，提前制定相關安全技術措施，減少由其造成的安全隱患和經濟損失。

1 井下槽波地震勘探原理

1.1 槽波地震勘探的物理基礎

煤礦井下槽波地震勘探技術是近年來在煤層中識別隱伏地質構造的常用方法之一。具有測距大、分辨率高、不受電場干擾等優點。

在地層當中，一般情況下煤層相對于其它巖層是一個相對低速層，理論上會形成明顯的“波導”。由爆炸產生的能量以地震波的形式在煤層中傳播，由于煤層頂底界面阻擋這些能量大部分被禁錮在煤層當中。煤礦井下槽波地震勘探技術就是利用煤層中的這些導波來探測煤層不一致性的一種常用方法。煤層中槽波傳播示意圖如圖1 所示。

1.2 勘探區地球物理特征

根據施工區域煤層及頂底板巖層的密度、P 波以及S 波速度、煤厚變化及構造等已知資料，計算槽波的頻散及振幅分布曲線，來測算槽波的傳播速度、頻散特性以及振幅分布情況，為前期設計、施工、以及后期資料處理分析提供指導。

根據已施工工作面實際資料，最終確定090606 工作面為對稱三層模型，平均煤厚4.2 m，煤層橫波速度850 m/s，圍巖密度2.6 g/cm3，煤層密度1.4 g/cm3。

通過槽波模型計算結果得到圖2 的模型，可以看出090606 工作面槽波的埃里相群速度約為850 m/s，頻率約為140 Hz，能量中心位于煤層中心。

圖2 090606 工作面煤層理論槽波頻散曲線及其振幅深度分布Fig.2 The coal seam theory in-seam wave dispersion curve and its amplitude depth distribution in No.090606 Face

1.3 透射法槽波地震勘探介紹

煤礦井下槽波地震透射法施工時，炮點與檢波器在不同巷道內布置。炮點在一條巷道內激發，檢波器在對面巷道中接收透射槽波。檢波器通過數據線將接收到的數據傳到主機，經過后期處理，根據接收到槽波的有無或強弱，來判斷探測區煤層內部有無斷面。當斷層斷距比煤厚大，透射槽波被完全反射，理論上檢波器完全接收不到槽波；當斷層斷距比煤厚小，槽波被部分阻斷，檢波器接收到的槽波能量比正常槽波能量要小。

后期室內利用CT 成像技術，可以比較準確的圈定出施工區域內的地質異常分布及影響范圍。煤礦井下槽波地震透射法施工簡單、對異常敏感、分辨率高，在煤礦井下煤層隱伏構造探測中得到廣泛應用。

此次090606 工作面槽波勘探采用透射法，透射法施工示意圖如圖3 所示。

圖3 透射法施工示意Fig.3 Construction of transmission method

2 槽波地震資料采集

2.1 工作布置及工作量

依據探測目的和巷道環境條件，此次槽波勘探沿090606 回風巷里幫布置炮點，沿090606 皮帶巷里幫布置檢波點，測量工作面長645 m，分里、外兩部分測量（圖4）。

圖4 090606 工作面槽波地震勘探工作布置示意Fig.4 The arrangement of in-seam wave seismic exploration work in No.090606 Face

外段設計炮點30 個（S1 ～S28、S30、S32），炮點距10 m，S1 距回1 導向點20 m。設計檢波點24 個（G1 ～G24），道間距15 m，G1 位于2 號導向點30 m?，F場測量實際激發點29 炮，S27 為強制激發，藥量300 g/炮，檢波點24 個。

里段設計炮點27 個（S29、S31、S33 ～S57），炮點距10 m，里段設計檢波點24 個（G21 ～G44），道間距15 m?，F場測量實際激發點27 炮，藥量300 g/炮。檢波點24 個。

090606 工作面共布設炮點57 個，檢波點44 個。

2.2 參數選擇及噪聲分析

2.2.1 激發條件

（1） 炮孔位置。位于煤層中部，距底板約1.2～1.6 m，炮孔深度約2 m，垂直煤壁稍向上傾斜，炮孔直徑為φ42 mm，炮孔位置誤差小于0.5 m。

（2） 藥量?？紤]到槽波能量的吸收、逃逸、衰減以及地震波的幾何擴散，同時放炮不能對巷道內設施造成破壞，故采用單孔藥量300 g。雷管采用同一批次、同一型號的，炮孔的封孔長度為80 cm。

（3） 炮點技術要求。在煤壁中間位置鉆孔時，如遇頂板破碎、硐室位置等突發因素影響時，可以在附近選取適當位置作為炮點，但移動范圍不能超過技術要求，且要做好現場記錄。鉆孔要布置在煤層中，鉆孔方向要順著煤層且稍向上傾斜，以便于清孔；裝完炸藥后要使用炮泥封孔，炮泥用量要符合規范要求。

2.2.2 接收因素

（1） 儀器：德國DMT 公司Summit ⅡEx 槽波地震儀。

（2） 檢波器：采用德國DMT 公司生產的高靈敏度雙分量檢波器。

（3） 采樣率：125、250、500 Hz，1、2、4、8、16、32、48 kHz。

（4） 瞬時動態范圍≥120 dB。

（5） 共模抑制比≥100 dB。

（6） 全諧波畸變＜0.0008%。

（7） 前置增益0、20、40 dB。

（8） 接收點技術要求：檢波孔處于煤層中間，深度2 m，垂直煤壁向煤層內鉆孔，且向上稍微傾斜，以便于清孔，檢波孔孔徑為55 mm，平面誤差不大于0.5 m。檢波器的安置方向要求平行于煤層走向及煤側壁，且所有檢波器的方向要一致。

2.2.3 井下環境噪聲分析

在檢測好儀器以及通訊系統后，要確認數據采集系統能正常工作；工作期間要杜絕其它震動源，以防對地震數據采集造成影響。如果震動噪聲不能避免，要進行詳細記錄，以便后期數據處理過程中加以消除。

根據以往井下槽波地震勘探施工經驗和090606 工作面的實際情況，此次透射法槽波地震勘探基本采集參數：炸藥量為300 g（±10 g）、炮孔深度為2 m（±20 cm）、封孔炮泥不少于80 cm，炮孔要布置在距巷道底板1.2 ～1.6 m 處的煤層當中。

圖5 ～圖7 為此次施工期間采集的單炮槽波記錄，可以看出直達P 波、S 波、槽波能量較大，發育清晰，噪聲較小，數據質量基本滿足技術要求。

圖5 090606 工作面外段S1 炮點實測記錄Fig.5 The S1 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

圖6 090606 工作面外段S15 炮點實測記錄Fig.6 The S15 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

圖7 090606 工作面外段S30 炮點實測記錄Fig.7 The S30 shot point measured record in outer section of No.090606 Face

3 井下槽波地震勘探結果分析

3.1 資料處理

此次槽波地震勘探數據處理采用美國SPW 地震數據處理軟件，處理主要流程為：數據轉換—重采樣—道頭計算—記錄編輯—濾波—頻散分析—速度分析—CT 成像。

圖8 為不同煤層厚度的理論頻散圖，縱坐標為群速度，橫坐標為頻率。從圖8 可以看出，對于090606 工作面平均煤厚4.2 m 的煤層，若煤層結構和厚度穩定，Airy 震相的群速度一般為800 ～900 m/s，頻率在150 ～170 Hz。這也是090606 工作面槽波地震槽波速度CT 解析的基本依據。

圖8 不同煤厚的槽波頻散分析示意Fig.8 The in-seam wave dispersion analysis of different coal thickness

3.2 資料解析

圖9 為090606 工作面槽波地震勘探速度CT成像分析圖，從圖9 可以看出，090606 工作面內煤層的槽波速度一般＜1000 m/s，總體上比較均勻。說明工作面內煤層相對穩定，連續性較好。

圖9 090606 工作面槽波地震勘探速度CT 成像分析圖Fig.9 The in-seam wave seismic exploration velocity CT imaging analysis diagram in No.090606 Face

圖10 為090606 工作面槽波地震勘探成果圖，從圖10 中可以看出，在工作面回風巷和切眼揭露的陷落柱X636、X638、X639、X643 位置波速有明顯的變化，波速相對較高，均大于1000 m/s。

圖10 090606 工作面槽波地震勘探成果圖Fig.10 In-seam wave seismic exploration results in No.090606 Face

相比之下，工作面內存在2 處相對明顯的隱伏高速異常區域。

1 號異常區（DX4）：異常特征非常明顯，大小約40 m×90 m。異常區域覆蓋測線較密集，延展位置誤差相對較小，異?？煽?。

從里段S12 炮點和S5 炮點對應該異常區域附近的接收點的頻散曲線（圖11） 和地震波形（圖12） 形態可以清楚看出，穿過異常區的射線的頻散特征明顯較差，甚至沒有明顯槽波信號。

圖11 1 號異常區頻散分析Fig.11 Dispersion analysis of No.1 abnormal area

圖12 里段S5、S12 炮點記錄的地震波形Fig.12 Seismic waveform recorded by S5 and S12 shot points

2 號異常區：異常特征非常明顯，大小約40 m×60 m。由于靠近測區邊緣，異常區域覆蓋相對較少，延展位置誤差相對較大，但異?？煽?。

從外段S8 炮點和S6 炮點對應該異常區域附近的接收點的頻散曲線（圖13） 和地震波形（圖14） 形態可以看出，穿過異常區的射線的頻散特征明顯較差，甚至沒有明顯槽波信號。

圖13 2 號異常區頻散分析Fig.13 Dispersion analysis of No.2 abnormal area

圖14 外段S6、S8 炮點記錄的地震波形Fig.14 Seismic waveforms recorded by S6 and S8 shot points in outer section

綜合以上分析，工作面內圈定的2 個隱伏異常區異常特征明顯、可靠。

DX5 異常分析：從外段S30 炮點和S24 炮點對應該異常區域附近的接收點的頻散曲線（圖15）和地震波形（圖16） 形態可以清楚看出，穿過異常區的射線的頻散特征較好，波速較低，在800 ～950 m/s，說明煤層的連續性較好，沒有明顯異常存在。

圖15 DX5 異常區頻散分析Fig.15 Dispersion analysis of DX5 abnormal area

圖16 外段S24、S30 炮點記錄的地震波形Fig.16 Seismic waveforms recorded by S24 and S30 shot points in outer section

DX6 異常分析：從外段S15 炮點和S11 炮點對應該異常區域附近的接收點的頻散曲線（圖17）和地震波形（圖18） 形態可以清楚看出，穿過異常區的射線的頻散特征較好，波速較低，在900 ～950 m/s，說明煤層的連續性較好，沒有明顯異常存在。綜合以上分析，DX5、DX6 異常區槽波異常特征不明顯，說明2 個異常區不存在。

圖17 DX6 異常區頻散分析Fig.17 Dispersion analysis of DX6 abnormal area

圖18 外段S11、S15 炮點記錄的地震波形Fig.18 Seismic waveforms recorded by S11 and S15 shot points in outer section

此次段王礦090606 工作面槽波地震勘探工程共布置放炮點57 個，檢波器點44 個，完成工作面長645 m。經后期資料的處理、分析得出：

（1） 此次090606 工作面槽波地震勘探現場實測數據質量較高、有效，地質效果明顯。

（2） 依據槽波探測資料，工作面內圈定2 個隱伏構造異常區，異常區可靠。

（3） 依據槽波資料分析，DX5、DX6 異常區不存在。

3.3 后期驗證結果

090606 工作面經回采驗證所圈定2 處異常均為工作面內隱伏陷落柱（無水），且異常分布、延展方向及影響范圍與回采情況一致度較高；由地面三維地震圈定的DX5、DX6 異常區不存在，充分說明井下槽波地震勘探技術適用于段王煤業集團有限公司9 號煤層頂底板為砂巖的地質結構，有非常好的應用效果。

4 結語

通過段王礦090606 工作面所施工完成的井下槽波地震勘探工作來看，井下槽波地震勘探技術在對該礦回采工作面內部隱伏地質構造探測上的可信性和精確度較高，能夠精準的測量出090606 工作面內部隱伏地質構造（陷落柱、斷層等） 的分布、延展方向及影響范圍，減少了因此所造成的資源、工期及人身財產損失，保障了090606 工作面的安全回采。