馬彥龍

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

甘肅某礦油頁巖形成于中生代侏羅紀(jì)中侏羅世，遇到的主要地質(zhì)問題為斷層，結(jié)合揭露情況，為確保礦井的安全開采，需進(jìn)一步確定工作面內(nèi)斷層的發(fā)育位置及延伸長度。槽波地震方法作為礦井物探方法之一，是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層地質(zhì)異常體的一種地球物理方法，也是地震勘探的一個(gè)重要分支。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，槽波地震勘探可以探查斷距小于5 m的斷層，長軸直徑大于15 m的陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常體，槽波在煤層中激發(fā)后，形成的地震波傳播距離遠(yuǎn)、分辨率高、波形易于識別、地質(zhì)信息豐富、受外界因素干擾小。其中，槽波透射法是目前最有效的探測斷層等地質(zhì)異常體的方法之一。

1 探測原理

槽波透射法是在工作面的兩條巷道或切眼布置震源和接收點(diǎn)，即震源透過煤層傳至接收點(diǎn)的槽波信號進(jìn)行勘探。炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)(接收點(diǎn))布置在采區(qū)周圍不同巷道內(nèi)，根據(jù)檢波點(diǎn)接收槽波的缺失、強(qiáng)弱及速度變化來判斷在相應(yīng)的透射射線扇形區(qū)內(nèi)有無構(gòu)造異常(圖1). 同時(shí)，還可以通過對較好透射槽波記錄的分析，為反射法數(shù)據(jù)處理及解釋提供速度參數(shù)等，一般探測范圍可達(dá)煤厚的200倍左右。在煤層較厚工作面，實(shí)際探測距離可以達(dá)到2 000 m左右，透射法是槽波最重要、應(yīng)用最廣泛的方法。

圖1 槽波透射法勘探示意圖

該次油頁巖探測斷層就是應(yīng)用槽波地震透射探測法，在油頁巖層布置激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)。利用透射槽波的傳播特征來探測工作面的構(gòu)造情況。具體表現(xiàn)為CT成像技術(shù)，它根據(jù)物體橫斷面的一系列投影數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)處理之后，得到物體橫斷面的圖像，從而確定地質(zhì)異常體的位置及形態(tài)。所以，它是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)。槽波地震CT(層析成像)根據(jù)接受到的地震波信息，進(jìn)行波場運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，來獲得沿射線路徑上介質(zhì)物性信息。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工作面概況

某礦16114工作面位于六采區(qū)東南部，西側(cè)為16113工作面，現(xiàn)已采空，東部未開拓，北接施工聯(lián)絡(luò)巷與總回風(fēng)巷。工作面走向612 m，傾向?yàn)?7 m.

工作面油頁巖層屬于油A層，總體呈向斜構(gòu)造，厚度2.0～5.0 m，北部為油頁巖變薄帶，平均厚度3.42 m，結(jié)構(gòu)簡單，一般不含矸石。油頁巖，顏色呈深灰黑色，條痕褐色，層面暗淡而無光澤，屬暗淡型煤。進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中共揭露了4條正斷層，1條逆斷層，由于斷層F114-1的影響,大巷導(dǎo)線點(diǎn)4Ⅰ-5至回風(fēng)巷進(jìn)去70 m左右為巖巷，導(dǎo)線點(diǎn)4Ⅰ-27至4Ⅰ-33,80 m左右距離也為巖巷；回風(fēng)巷揭露1條正斷層，落差為1.0 m，到回風(fēng)巷口112 m范圍也均為巖巷，這對槽波的激發(fā)與接收將產(chǎn)生不利的影響。

2.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沿工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷布置炮點(diǎn)和檢波器，道距為10 m，炮距為20 m，全排列接收(圖2). 根據(jù)巷道內(nèi)部揭露情況和煤層的展布趨勢，在施工中要求檢波器與巷道側(cè)幫錨桿耦合良好，并盡量保證檢波器與炮點(diǎn)布設(shè)在油頁巖中部，炮孔深3 m，方向垂直于油頁巖幫，透射槽波激發(fā)藥量200 g.

圖2 槽波探測工程布置圖

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

以16114工作面S27炮點(diǎn)為例進(jìn)行初步分析，S27單炮記錄中3組波顯示，最先到達(dá)的是來自沿頂?shù)装鍌鞑サ恼凵淇v波，隨后是折射橫波，槽波的速度最慢，且是體波(回轉(zhuǎn)波、繞射波等)干涉后到達(dá)的能量團(tuán)(圖3).

圖3 S27濾波前數(shù)據(jù)圖

由于折射縱波和橫波反應(yīng)較強(qiáng)，實(shí)際采集數(shù)據(jù)中又包含較高的噪聲，為了減弱折射縱波、折射橫波對槽波整體的影響，提高槽波的信噪比，對該工作面采集的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶限濾波，見圖4. 由圖4看到濾波處理后槽波能量增強(qiáng)，波形特征明顯。利用濾波后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行透射CT成像等處理作業(yè)。

圖4 S27濾波后數(shù)據(jù)圖

2.4 頻散分析

頻散是槽波的一大特性，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。通過對原始槽波數(shù)據(jù)波場分析，油頁巖厚3.5 m的埃里相在180 Hz左右，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近(圖5)，槽波速度約為1 300 m/s.

圖5 槽波頻散特征圖

2.5 槽波成像解釋

按照16114工作面大小建立一個(gè)X方向620 m，Y方向46 m的模型，網(wǎng)格大小為2 m×2 m，即X方向310個(gè)，Y方向23個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)2 m×2 m煤層的平均槽波振幅，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，按照透射槽波衰減系數(shù)成像建立網(wǎng)格模型，通過槽波能量成像算法，最終得到此模型上每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的能量分布，將所有網(wǎng)格點(diǎn)能量進(jìn)行合并，即得到工作面的能量分布情況，其成像結(jié)果見圖6. 槽波能量較弱區(qū)表示煤層受地質(zhì)異常構(gòu)造影響，該區(qū)域工作面內(nèi)部構(gòu)造相對復(fù)雜；槽波能量較強(qiáng)區(qū)表示煤層槽波傳播正常，該區(qū)域工作面內(nèi)部無構(gòu)造或構(gòu)造相對簡單。

圖6 槽波能量成像圖

工作面內(nèi)解釋了2條斷層(Cf1、Cf2)，斷距大于1/2油頁巖厚度，確定了斷層的走向及延伸長度，未發(fā)現(xiàn)其它地質(zhì)異常，經(jīng)回采驗(yàn)證，探測效果良好。

3 結(jié) 論

1) 在含油頁巖地層中，與圍巖相比油頁巖具有速度較低、密度較小的特點(diǎn)。油頁巖上下界面是一個(gè)較強(qiáng)的波阻抗分界面，并形成了以油頁巖為中心的低速波導(dǎo)層，這樣有利于槽波的形成。

2) 實(shí)例表明，油頁巖與煤層物理性質(zhì)相似，可以統(tǒng)稱為油性煤層，槽波也比較發(fā)育，透射槽波探測技術(shù)能夠有效解決油頁巖層大于1/2煤厚的斷層。