衛(wèi)金善 竇文武

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048006)

槽波探測(cè)技術(shù)在晉城礦區(qū)3#煤層的應(yīng)用與思考

衛(wèi)金善 竇文武

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048006)

槽波探測(cè)技術(shù)主要是用來(lái)探測(cè)煤礦回采工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造分布、大小、形態(tài)以及煤層變化狀態(tài)。通過分析近幾年槽波探測(cè)技術(shù)在晉城礦區(qū)多個(gè)礦井的應(yīng)用效果，結(jié)合理論分析和觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化，總結(jié)得出：槽波在晉城礦區(qū)3#煤層的發(fā)育明顯，但反演結(jié)果與實(shí)際情況還有差距；槽波探測(cè)的優(yōu)勢(shì)是確定煤層應(yīng)力集中區(qū)和煤層變化帶，對(duì)斷層、陷落柱分辨能力有限。

槽波探測(cè)技術(shù) 地質(zhì)構(gòu)造 晉城礦區(qū) 斷層 陷落柱

槽波探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于煤炭行業(yè)，早在1955年，F(xiàn).F.艾維遜就對(duì)槽波用于采煤業(yè)的可能性做了預(yù)見性的肯定，但直到1963年才由T.C.克雷正式發(fā)表了關(guān)于槽波在煤層中傳播模式理論。經(jīng)過世界若干個(gè)研究團(tuán)體多年的努力，槽波技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種成功率很高的實(shí)用型的槽波地震勘探技術(shù)(ISS)。ISS在科學(xué)上得到了證明，在儀器和方法上得到了發(fā)展，并成功地用于世界上各種各樣的煤礦區(qū)。德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、波蘭、俄羅斯、匈牙利等國(guó)已將井下槽波地震勘探作為采前最有效的勘探手段。

1978年，煤炭科學(xué)總院、焦作礦業(yè)學(xué)院、渭南煤礦鉆用設(shè)備儀器廠和大同礦務(wù)局合作開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也進(jìn)行了物理模擬研究和礦井地震儀設(shè)備研制；1983年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開始研發(fā)MISS專用處理軟件。1986年，煤炭科學(xué)總院西安分院引進(jìn)了SEAMEX85槽波地震儀和專用軟件ISS，并先后在大同、開灤、平頂山、徐州、漣邵等礦務(wù)局開始試驗(yàn)研究，在陷落柱、沖刷帶、斷層等小構(gòu)造中取得了不少成果。20世紀(jì)90年代末，晉城礦務(wù)局(晉煤集團(tuán)前身)曾在鳳凰山礦、成莊礦做過試驗(yàn)，但效果不是很顯著，此后晉城礦務(wù)局一直擱置該類研究。近年來(lái)，晉煤集團(tuán)億欣煤業(yè)、長(zhǎng)平煤業(yè)、趙莊煤業(yè)再次進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。晉煤集團(tuán)引進(jìn)德國(guó)DMT公司最新礦用槽波地震探測(cè)儀Summit II，通過在多個(gè)礦井探測(cè)應(yīng)用都取得良好效果，但并非業(yè)內(nèi)所說的槽波探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)準(zhǔn)確率大于85%的說法。

1 槽波形成條件

槽波是地震波的一種。在地質(zhì)剖面中，煤層是一個(gè)典型的低速帶，在物理上構(gòu)成一個(gè) “導(dǎo)波”。當(dāng)煤層中激發(fā)了體波，由于頂?shù)装鍘r性不同，激發(fā)的部分能量被禁錮在煤層中，不向周圍巖層輻射，在煤層中相互疊加、干涉，形成一個(gè)強(qiáng)的干涉擾動(dòng)，即槽波。

槽波形成機(jī)理如圖1所示。煤層內(nèi)炮點(diǎn)產(chǎn)生地震波，向頂、底板傳播，在A區(qū)由于地震波的入射角小于臨界角，所以一部分能量透過頂、底板向圍巖中泄露，而另一部分能量反射回煤層內(nèi)部，A區(qū)稱為泄露區(qū)。在B區(qū)和C區(qū)入射角大于臨界角，地震波在頂、底板界面上被全反射和全折射回煤層之中，這些反射和折射回煤層之中地震波，在C區(qū)內(nèi)相互疊加混響形成槽波。

圖1 槽波形成示意圖

根據(jù)槽波定義分析，槽波形成有3個(gè)基本條件：

(1)頂?shù)装宓耐暾允遣鄄芊裥纬傻年P(guān)鍵因素之一。復(fù)采工作面、分層開采工作面、地質(zhì)構(gòu)造特別發(fā)育的工作面都破壞了煤層頂?shù)装宓耐暾?，破碎區(qū)成為槽波的漏能區(qū)，這類工作面形成清晰槽波的幾率降低。

(2)頂?shù)装鍘r層同煤層的差異決定著槽波質(zhì)量的好壞。煤層上、下界面要形成一個(gè)極強(qiáng)的波阻抗分界面。根據(jù)斯奈爾定律：

(1)

式中：v1——入射波速，m/s；

v2——折射波速，m/s；

a——入射角，(°)；

θ——折射角，(°)；

c——地震波沿臨界面的移動(dòng)速度，m/s。

當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，即v1c時(shí)，震波能量全部反射在煤層內(nèi)部。決定臨界角的關(guān)鍵因素是介質(zhì)的密度，震波從波疏介質(zhì)向波密介質(zhì)傳播時(shí)，折射角大于入射角，才會(huì)發(fā)生全反射，也就意味著頂?shù)装鍘r層密度小于煤層時(shí)槽波無(wú)法形成。

(3)震波的傳播需要介質(zhì)。槽波形成需要多種波相互疊加、干涉形成，如果煤層被完全阻斷或中間某段完全被其他介質(zhì)取代，則難以形成透射槽波，可形成反射槽波，但因隔斷介質(zhì)的不同，反射槽波接收效果相差較大。當(dāng)工作面被一斷距大于煤厚的斷層完全阻斷，此時(shí)，無(wú)法用透射槽波探測(cè)，只能通過反射槽波探測(cè)；如果工作面被一條密閉空巷隔斷則反射槽波探測(cè)也會(huì)失效。

2 晉城礦區(qū)3#煤層地質(zhì)特征

晉城礦區(qū)3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組，屬陸相沉積，煤層厚度為4.54～9.63 m，平均為6.10 m，層位、層間距穩(wěn)定，煤層頂板主要為粉砂巖、泥巖，底板為粉砂巖、中砂巖和泥巖。煤層及圍巖的波速和密度情況如表1所示。由表1可知，煤層頂?shù)装鍘r性特征與煤層差異性較大，砂巖、泥巖、粉砂巖的密度是煤層密度的2倍左右，具備槽波形成的基本條件。

表1 煤層及圍巖波速和密度表

通過在晉城礦區(qū)趙莊礦5312工作面和成莊礦5308工作面采集到的槽波數(shù)據(jù)觀察可知，槽波信號(hào)清晰(虛線區(qū)域)，易于分辨，如圖2和圖3所示。通過近兩年試驗(yàn)可知，晉城礦區(qū)3#煤層槽波特征明顯，槽波的頻率主要集中在50～400 Hz，主頻在100 Hz左右。

圖2 趙莊礦5312工作面槽波數(shù)據(jù)

3 槽波對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的響應(yīng)特征

3.1 槽波對(duì)斷層響應(yīng)特征

槽波探測(cè)方法分為透射法和反射法。反射法主要用于探測(cè)斷層，理論上講，煤層中存在反射面就應(yīng)該形成反射槽波，但實(shí)際上并非如此，很多情況下采集不到反射槽波。槽波探測(cè)斷層反射法剖面示意圖見圖4。當(dāng)斷層與煤層頂?shù)装鍔A角(傾角)小于45°時(shí)，檢波器很難接收到反射波，如圖4(a)所示；當(dāng)斷層斷距小于1/3煤厚時(shí)，反射波也很難被接收到，大部分能量反射到頂?shù)装?，如圖4(b)所示；當(dāng)斷層位于某一大型斷層后方時(shí)，也很難探測(cè)到，如圖4(c)所示。即使斷層與煤層頂?shù)装鍔A角大于45°時(shí)，斷層與巷道夾角(走向)也會(huì)影響探測(cè)效果，比如斷層與檢波器及震源布置巷道夾角大于45°時(shí)，也很難采集到反射波。

趙莊二號(hào)井2301工作面煤層厚4 m，探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)和反演結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，三維地震圈定3條斷層，傾角大于45°，與巷道夾角均小于45°，推測(cè)斷距為0～2 m，為了進(jìn)一步確定斷距大小和延伸狀態(tài)，采用槽波反射探測(cè)，由圖5(b)可以看出只有1條大型斷層，綜合分析認(rèn)為探測(cè)結(jié)果可靠，可能存在因不具備探測(cè)條件而未探測(cè)出的斷層，如JDF87斷層位于該斷層后方。后經(jīng)另一條巷道揭露發(fā)現(xiàn)該斷層斷距為8 m。

3.2 槽波對(duì)陷落柱響應(yīng)特征

陷落柱主要由塌陷的巖石碎塊組成，這些巖石碎塊棱角顯著、形狀不一、排列紊亂、大小混雜，大的巖塊直徑可達(dá)數(shù)米，小的僅幾厘米，巖塊與巖塊之間，充滿著巖粉、煤粉和各色粘土，膠結(jié)性差，柱內(nèi)或干燥無(wú)水、或存在淋水現(xiàn)象。成莊5308 工作面槽波探測(cè)陷落柱如圖6所示，槽波埃里相變異區(qū)對(duì)應(yīng)為工作面陷落柱，效果明顯。

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，并不是每個(gè)陷落柱都可以很好地被探測(cè)出，槽波的形成分為3個(gè)階段，第一階段為震波激發(fā)到槽波形成前階段，第二階段為槽波形成階段，也就是頻散穩(wěn)定期，第三階段為槽波傳播階段，如圖7所示。槽波在傳播過程中遇到陷落柱后，發(fā)生二次頻散，如果能量和距離足夠時(shí)，可再次形成槽波繼續(xù)傳播。也就意味著槽波能否探測(cè)出陷落柱，與槽波穿透陷落柱后能否有足夠能量和距離二次形成槽波有關(guān)。成莊5312工作面的陷落柱未能被探測(cè)出的原因就是二次頻散后的震波沒有足夠的能量和距離再次形成槽波。

圖6 成莊5308 工作面探測(cè)陷落柱數(shù)據(jù)變異區(qū)與實(shí)際對(duì)比圖

由于不同的陷落柱具有不同槽波頻散特征，因此槽波對(duì)陷落柱的響應(yīng)是不同的，有的表現(xiàn)為高速區(qū)，有的表現(xiàn)為低速區(qū)。震波傳播實(shí)際是能量的傳播，能量衰減與距離和介質(zhì)有關(guān)，根據(jù)衰減變化可較好地反映出異常位置，理論說明槽波能量變化對(duì)陷落柱的響應(yīng)特征效果較好；震波能量產(chǎn)生后隨著時(shí)間推移逐漸被漏失、擴(kuò)散、吸收，整體趨勢(shì)是衰減，根據(jù)衰減變量的大小可確定異常區(qū)。

t0：震波擊發(fā)時(shí)刻； t1：槽波形成時(shí)刻；t2：槽波傳播時(shí)刻；S0：震波傳播距離；S1：槽波形成期距離；S2：槽波傳播距離圖7 槽波遇到陷落柱后傳播途徑分析對(duì)比圖

3.3 槽波對(duì)其他隱伏構(gòu)造響應(yīng)特征

通過對(duì)近兩年槽波試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)，槽波對(duì)煤層變薄區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)反映明顯。以成莊礦5312工作面為例分析，在工作面切眼處沖刷帶，槽波速度明顯高于其他區(qū)域，且異常區(qū)域面積較大，實(shí)際揭露煤厚僅僅3.5 m左右，由此可知槽波在煤層變薄區(qū)表現(xiàn)為高速區(qū)，如圖8所示。

圖8 成莊礦5312工作面槽波探成果圖

通過分析趙莊礦5311工作面、長(zhǎng)平礦5312工作面、寺河礦5302工作面探測(cè)結(jié)果與注漿效果可知，槽波探測(cè)的高速異常區(qū)的注漿量明顯高于非異常區(qū)。工作面回采過程中，異常區(qū)提前注漿區(qū)域回采穩(wěn)定；未注漿區(qū)隨著應(yīng)力釋放，煤層及頂板破碎較難支護(hù)。由此可見煤層應(yīng)力集中區(qū)也表現(xiàn)為槽波高速區(qū)。通過在圣華煤業(yè)1301工作面試驗(yàn)應(yīng)用可知，槽波在煤層受波壞工作面應(yīng)用效果較差，破碎煤層中震波信號(hào)容易發(fā)生反射、散射現(xiàn)象，造成震波能量漏失、信號(hào)不穩(wěn) ，難以形成槽波。因此槽波探測(cè)的異常區(qū)域判斷需要結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料和其他物探手段共同確定異常區(qū)域的隱伏構(gòu)造性質(zhì)。

4 總結(jié)

(1)晉城礦區(qū)3#煤層槽波發(fā)育明顯、信號(hào)清晰，但對(duì)特殊條件的工作面是不適用的，比如受破壞的復(fù)采工作面、斷層完全隔斷的工作面。

(2)槽波對(duì)不同地質(zhì)異常體的響應(yīng)特征受地質(zhì)條件本身限制，準(zhǔn)確率難以達(dá)到較高水平。透射法對(duì)斷層有反應(yīng)但難確定斷層的傾角和走向，反射法對(duì)斷層有明顯效果，但對(duì)斷層發(fā)育程度要求較高。

(3)槽波探測(cè)的優(yōu)勢(shì)是確定煤層應(yīng)力集中區(qū)和煤層變化帶，但對(duì)斷層和陷落柱來(lái)說存在漏報(bào)可能，可結(jié)合其他物探手段綜合探測(cè)。

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ApplicationandthoughtofslotwavedetectiontechnologyinNo. 3coalseamofJinchengminingarea

Wei Jinshan, Dou Wenwu

(Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute Co., Ltd., Jincheng, Shanxi 048006, China)

Slot wave detection technology was mainly used in detecting the distribution, size, form of geological structure in mining face and the coal seam change state. By analyzing the application effects of slot wave detection technology in several mines at Jincheng mining area in recent years, combining with theoretical analysis and observation system optimization, it concluded that the slot wave developed obviously in No. 3 coal seam of Jincheng mining area, but the inversion results still had some differences with the actual situation; the solt wave detection had an advantage in determining the stress concentration zone and change zone of coal seam, but had limited capacity in analyzing the fault and collapse column.

slot wave detection technology, geological structure, Jincheng mining area, fault, collapse column

P631

A

國(guó)家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(JSKF-20140005)

衛(wèi)金善, 竇文武. 槽波探測(cè)技術(shù)在晉城礦區(qū)3#煤層的應(yīng)用與思考[J].中國(guó)煤炭，2017,43(11)：47-50,105.

Wei Jinshan, Dou Wenwu. Application and thought of slot wave detection technology in No. 3 coal seam of Jincheng mining area[J]. China Coal, 2017, 43(11):47-50,105.

衛(wèi)金善(1967-)，男，山西陽(yáng)城人，漢族，地質(zhì)工程師，本科學(xué)歷，晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院物探工程分公司總經(jīng)理，主要從事地球物理勘探、水文地質(zhì)勘查、地測(cè)防治水等水文地測(cè)相關(guān)工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)