槽波地震探测在厚煤层工作面的巷道响应分析

来源:用户上传      作者:贾晋

　　槽波地震探测技术作为当下最为有效的一种地球物理勘探方法，将其应用于简单构造厚煤层工作面开展采空巷道响应研究，挖掘槽波有用信息，寻求现有成像技术对采空巷道的定位响应。该文以陕北榆神矿区某矿采掘工作面为实例，煤层厚度稳定、构造简单，开展透射+反射槽波地震探测试验。结果表明：简单构造厚煤层连续性好、顶底板岩层与煤层物性差异大为槽波发育提供了良好条件，探测区反射槽波发育，多方位巷道成像效果显著。
　　简单构造厚煤层槽波地震采空巷道
　　中图分类号：P631.4文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）12（a）-0000-00
　　
　　JIA Jin
　　（Xi’an Research Institute Co. Ltd.， China Coal Technology and Engineering Group Corp.， Xi’an， Shaanxi Province， 710077 China）
　　As the most effective geophysical exploration method at present， the channel wave seismic detection technology is applied to the simple structure thick coal seam working face to carry out the response research of the goaf， excavate the useful information of the channel wave， and seek to use the existing imaging technology to analyze the goaf roadway.In this paper， taking the mining face of a mine in the Yushen mining area in northern Shaanxi as an example， the coal seam thickness is stable and the structure is simple， and the transmission andreflection channel wave seismic detection test is carried out. The results show that the thick coal seam with simple structure has good continuity， and the physical properties of the roof and floor are very different from the coal seam， which provide good conditions for the development of channelwaves.
　　Simple structure；Thick coal；Channelwave seismic；Goaf
　　
　　槽波地震探测属于地震勘探的一个分支，是煤矿井构造探查的一种地球物理方法。伴随着槽波地震数据处理、波场模拟和成像算法等技术发展，槽波地震探测在矿井构造探查应用已不局限于传统的透射、反射槽波探测，利用超前槽波地震方法探测巷道掘进工作面前方的地质异常构造也开始被推广应用。项技术对地质问题的解决也已不局限于对矿井煤层中断层、陷落柱、挠曲等地质异常体的探查，采空巷道、煤层厚度、瓦斯富集区、应力集中区的探查也得到了应用，且对常规构造探查精度要求也变得更高。依据已有地质资料及施工条件，如何获取更多槽波数据处理解释依据变得尤为重要。该文选定陕北榆神矿区某矿简单构造厚煤层工作面开展槽波探测应用，探寻槽波对矿井工作面布设的多方位巷道响应特征，为后期复杂工况矿井的槽波探测设计提供参考，挖掘槽波数据处理与解释的参数依据。
　　1 矿井槽波地震探测
　　矿井槽波地震探测技术是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层不连续性的―种地球物理方法，可以探查断层、陷落柱、煤层分叉与变薄、采空区及废弃巷道等地质异常，具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征易于识别以及最终成果直观的优点，在探测精度和距离上优于坑透等煤矿井下探测方法，目前主要有透射槽波法和反射槽波法两种有效应用形式。
　　透射槽波法是将激发点（）与接收点（）布置在工作面不同巷道内，根据直达槽波信号的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常（图1）。随着学者们的不断研究和开发，槽波能量衰竭系数层析成像方法当前应用最为广泛，工程应用过程中为充分利用挖掘原始数据信息，施工工艺也已经发展成双边透射成像技术，在一定程度上减弱了因矿井地质工况复杂单边透射槽波能量衰减对成像质量的影响。

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　　反射槽波法是将激发点与接收点布置在同一巷道内，利用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，通过识别出这些有效反射槽波信号就能判断出煤层不连续的位置（图2）。反射槽波偏移成像方法为当前反射槽波地震探测技术主要方法，工程应用中利用同一巷道可向两侧进行探测，同时在已完成掘进工作面采用双边反射可以对平行巷道的不连续体位置精细界定，以满足矿井工作面掘进不同时期的探测需求。在实际工程应用探测中，透射槽波法与反射槽波法被同时应用，两种方法的成果在数据处理及解释相互佐证并进行处理参数优化，很大程度上提高了工作面探测精度。
　　超前槽波地震探测是常规槽波勘探施工工艺的进步和发展，将激发点与接收点布置在独头巷道，经常结合深孔检波器和巷道两侧的检波器，形成T字形接收面。通过独头巷道两侧放炮激发，地震波在遇到迎头侧前方的异常构造时，反射波信号被T字形接收面接收，通过识别出这些有效反射槽波信号就能判断出独头巷道侧前方煤层异常的位置（图3）。随着我国智能化矿井建设，“透明化工作面”被广泛关注，工作面隐伏构造探查将作为其重要部分。槽波地震超前探测、随采、随掘探测技术在透明化工作面的地质探查中将不断发展和推广应用。
　　
　　2.1 概况
　　陕北榆神矿区某矿30109工作面作为研究实例，该工作面主采延安组3号煤层，走向长度4 300 m，倾向宽度300 m。直接顶板为粉砂岩、泥岩，少量细-粗粒长石砂岩，平均厚度28.0 m；直接底板为粉砂岩、泥岩，少量细-粗砂岩、炭质泥岩，平均厚度25.0 m。根据矿方地质及巷道揭露资料，探测区煤层厚度8.2～9.7 m，平均8.36 m。煤层整体层位稳定，结构简单，顶底板岩性与煤层物性（密度、速度）差异明显，波阻抗差异大，探测区内回采里程323～578 m存在二维地震勘探预测断点，整体地质构造简单，非常适合槽波反演煤层采空巷道响应研究。
　　2.2 观测系统布置
　　2.3 数据采集与处理分析
　　数据采集共记录有效单炮104个，单炮信噪比高，射线均匀覆盖整个探测区域。图5（a）为本次探测采集数据中激发点S35，接收道R11～R246记录到的共炮点原始记录数据。记录中可清晰显示3个波组，分别是顺围岩传播的折射纵波、折射横波以及顺煤层传播的槽波，可以看出槽波数据质量极高，能量明显远强于纵波与横波能量。提取记录中速度信息，可得到顺围岩传播的折射纵波、折射横波速度分别为4 300 m/s、1 800 m/s。计算槽波频散曲线如图5（b）所示，槽波能量集中在埃里相附近，得出槽波主频率为90～200 Hz，速度为950 m/s。工作面围岩与煤层具体参数见表1。
　　2.4 反演成像与解释
　　综合透射、反射槽波探测成果，排除目标探测区内发育二维地震断点，后经矿方回采证实目标区煤层破碎，无断层发育。同时反射槽波对工作面内及临近工作面采空巷道的明显响应，证实了煤层槽波对多方位巷道定位的有效性。
　　
　　（1）厚煤层小构造探测是地球物理勘探难点，采用双边透射、双边反射的探测方法，充分挖掘槽波有用信息可多方面分析探查工作面地质异常体。
　　（2）槽波为煤层中传播的导波，简单构造厚煤层连续，反射槽波绕射偏移可有效对煤层探测区域多方位巷道进行定位。在槽波应用中利用已有巷道可有效确定槽波速度，提高断层的定位精度，指导矿井安全高效开采。
　　
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