劉勇勝 劉碩

（1.開灤能源化工股份有限公司，河北唐山 063000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

斷層是煤礦生產(chǎn)中最常見的一類地質(zhì)構(gòu)造，它是由巖石受力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)破裂，巖層相互擠壓剪切，形成了小斷層和伴生裂隙發(fā)育為主要特征的破碎帶[1]。斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度是評(píng)價(jià)斷層切割、破壞程度的重要指標(biāo)[2]。工作面內(nèi)小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)，小斷層和伴生裂隙發(fā)育，往往是誘發(fā)與礦井突水、瓦斯突出、應(yīng)力集中等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。

1.小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)

斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度是指某一塊段對(duì)斷層切割、破壞的程度，常用的指標(biāo)有斷裂密度、斷裂長(zhǎng)度及斷裂強(qiáng)度等[3]。在煤礦井下工作面內(nèi)隱伏小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)，斷層切割和破壞程度較高，小斷層和伴生裂隙發(fā)育，導(dǎo)致該區(qū)域煤層缺失或者變薄，對(duì)采煤造成嚴(yán)重影響。同時(shí)煤層頂?shù)装灞黄茐模赡苷T發(fā)礦井突水、瓦斯突出、應(yīng)力集中等地質(zhì)災(zāi)害。

2.槽波探測(cè)技術(shù)

透射槽波探測(cè)法采用從震源透過(guò)煤層傳至接收點(diǎn)的直達(dá)槽波信號(hào)。激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在采區(qū)周圍不同巷道內(nèi)，根據(jù)槽波的有無(wú)、強(qiáng)弱來(lái)判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無(wú)構(gòu)造異常。槽波最大特征是頻散，即槽波的傳播速度是頻率的函數(shù)。具有頻散的槽波，相速度和群速度明顯不同。槽波相速度為相長(zhǎng)干涉相位波前沿波導(dǎo)傳播的速度。槽波群速度是波的能量傳播的速度，由于波的能量與振幅的平方成正比，群速度相當(dāng)于波列包絡(luò)極值傳播的速度。

槽波相對(duì)透射系數(shù)成像方法，通常是利用煤層中高頻槽波震相傳播能量相對(duì)于低頻槽波震相傳播能量的透射系數(shù)來(lái)量化異常體存在的可能性大小[4]。但由于部分區(qū)域槽波的高、低頻震相頻段相近，難以區(qū)分時(shí)，就要利用槽波在群速度的差異，定義其相對(duì)透射系數(shù)。相對(duì)透射系數(shù)成像圖中值越高，表示相對(duì)透射能量越強(qiáng)，煤層相對(duì)正常；否則，值越低，相對(duì)透射能力越弱，煤層中存在構(gòu)造情況。

3.三維數(shù)值模擬

采用三層地質(zhì)模型，中間層是煤層，煤層厚度為5m，頂?shù)装鍨樯皫r，沙巖厚度為10m。本次正演模擬的檢波點(diǎn)間距為10m，激發(fā)點(diǎn)間距為20m，時(shí)間采樣間隔dt=0.25ms，震源為漲縮震源，同時(shí)激發(fā)縱波和橫波，采用主頻120Hz的雷克子波。模型介質(zhì)為各向同性彈性介質(zhì)，相當(dāng)于品質(zhì)因子為無(wú)窮大。采用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分算法[5-9]。

圖1 順煤層方向平面圖

圖2 槽波相對(duì)透射系數(shù)成像

圖1為順煤層方向平面圖，模型中有7條斷層，都是正斷層，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F6和F7斷層落差都為2m，F(xiàn)5斷層落差1m。

三維數(shù)值模擬S18激發(fā)點(diǎn)位于圖2風(fēng)道中S18位置，接收點(diǎn)位于運(yùn)道。S18激發(fā)后，在ab段，煤層連續(xù)，槽波能量正常，槽波相對(duì)透射能力強(qiáng)；在bc段受到F1、F2、F3、F4、F5、F6和F7斷層影響，槽波相對(duì)透射能量弱；在cb段連續(xù)，煤層正常，槽波相對(duì)透射能力強(qiáng)。通過(guò)槽波相對(duì)透射系數(shù)成像，可以反演小斷層網(wǎng)絡(luò)密集區(qū)的位置。

4.應(yīng)用實(shí)例

錢家營(yíng)煤礦2822西工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1382.6m，傾向長(zhǎng)179.8m，主采煤層為二疊系下統(tǒng)趙各莊組12-1煤。煤層厚度1.2m～7.3m，平均煤厚3.8m。

本次槽波地震勘探工程采用全排列接收方式，在風(fēng)巷和機(jī)巷檢波器和激發(fā)點(diǎn)。檢波點(diǎn)采用10m接收道距共布置接收點(diǎn)222個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度2210m。激發(fā)點(diǎn)采用20m間距，共布置激發(fā)點(diǎn)111個(gè)。

采用槽波相對(duì)透射系數(shù)成像方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，成像結(jié)果如圖3所示。圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)透射能量強(qiáng)，煤層相對(duì)正常；紅黃色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)透射能力弱，煤層中存在構(gòu)造情況。結(jié)合三維地質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果和全區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律，在2822西工作面內(nèi)解釋小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)2處。后經(jīng)回采驗(yàn)證，槽波解釋小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)1揭露斷層5條，落差1m～2m；小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)2揭露斷層6條，落差0.7m～3.8m。

圖3 槽波相對(duì)透射系數(shù)成像

5.結(jié)論

（1）煤層正常區(qū)域，槽波能量正常，槽波相對(duì)透射能力強(qiáng)，小斷層網(wǎng)絡(luò)密集區(qū)域，煤層變薄或缺失，槽波能量衰減，槽波相對(duì)透射能力減弱。

（2）槽波相對(duì)透射系數(shù)成像方法，通過(guò)槽波相對(duì)透射能力的變化，利用透射系數(shù)的高低差異，探測(cè)構(gòu)造的位置及形態(tài)。在本次探測(cè)錢家營(yíng)2822西工作面槽波勘探項(xiàng)目中取得了良好的探測(cè)效果，和回采驗(yàn)證位置基本吻合。

（3）槽波地震探測(cè)技術(shù)可以有效探測(cè)工作面隱伏的小斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜區(qū)，為工作面安全回采提供地質(zhì)保障。