基于槽波地震勘探技术的工作面底板折射地震波响应特征研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.046基于槽波地震勘探技术的工作面底板折射地震波响应特征研究（1.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272000；2.徐州天浩勘探有限公司，江苏 徐州 221000）摘要 超前识别工作面内隐伏构造、断层和地质异常区域，是保证煤矿井下安全生产的基础前提。槽波勘探技术作为煤矿物探的重要探测方法之一，具有传播距离远、能量强和探测精度高等优势，能对回采工作面的地质异常区域进行有效识别。但鉴于其理论依据尚未充分，且不同地质区域探测响应特征尚不明晰，因此在工程现场应用仍需完善。利用槽波勘探技术，研究岱庄煤矿11607工作面内底板折射地震波的响应特征，识别其内部地质异常区域。关键词 槽波地震勘探；折射地震波；地质异常区域；CT成像中图分类号 P631.4文献标识码 B文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0146蛳030引言随着浅部矿产资源逐渐枯竭，向深部资源进军已成为我国煤矿开采发展的必然趋势。而深部地区地质条件更为复杂，且在“三高一扰动”耦合影响下极易诱发突出、透水和冲击地压等煤岩动力灾害。因此，在工作面回采前能有效查明其内部隐伏构造、断层和地质异常区域是保证矿井安全生产的基础，也是提高生产效率的重要前提咱员暂。槽波地震勘探技术具有震源激发频率高、传播距离远、探测能量强、信噪比高等优势，是进行回采工作前对工作面内部地质情况进行有效预判的重要手段之一咱圆原猿暂。然而，目前对含隐伏构造、裂隙发育和地质异常区域的折射地震波形成机理的研究并不充分，部分工程应用响应特征问题尚欠缺合理解释。基于以上因素，本文利用槽波勘探技术，研究岱庄煤矿 11607 工作面内底板折射地震波的响应特征，为利用折射地震波识别内部地质异常区域提供理论依据。1折射地震波探测原理目前利用槽波地震勘探技术采集回采工作面信息，从而有效识别底板内部构造和地质异常区域主要有 2 种方法。第 1 种是鉴于槽波频率越低、深入煤层及底板内部的能量越强和深部越大，即槽波低频分量；第 2 种便是通过折射地震波来完成探测。因为在实际探测中槽波波列不仅能接收来自煤层的波，同时也会接收来自围岩（顶底板）的波，而折射地震波在顶底板的传播密度和速度均高于煤层中槽波的传播密度和速度，在煤层中激发地震波时，会在煤层中形成透射、反射，当满足折射地震波形成条件时，此时地震波会沿顶板、底板传播，其波场类型可以分为折射纵波（P 波）和折射横波（S 波）咱源暂。可以利用速度分析等手段确定这种折射地震波的类型，折射地震波传播如图 1 所示。图 1折射地震波传播示意折射地震波在激发后传播过程中遇到隐伏构造、地质异常区域时，其特征参数（能量、速度等）均会发生显著变化。因此，利用这一特征，使用 CT 成像技术对槽波的能量、速度等特征参数进行综合反演，形成工作面底板三维高精度成像结果图，从而可达到地质探测目的咱缘暂。2探测工作面概况11607 工作面位于 1160 胶带上山的东北侧，东南侧与 11605 皮带顺槽相距 60 m，西北侧与 11609轨道顺槽相距 50 m，西南部位于 83下 03 面和 83下04 面老空区正下方，间距 155 m 左右。工作面可采煤层为 16 煤，黑色，以亮煤为主，夹暗煤及丝炭条带，条带状结构，玻璃光泽，半亮型；上部夹矸为细砂岩，中部夹矸为泥岩黄铁矿结核，下部夹矸为粘土岩。工作面内部煤层层位稳定，煤层厚度为1.652.35 m，平均 2.16 m。同时根据掘进过程中已揭露的实际情况来看，共发现 19 条落差在 0.4顶板煤层波速激发槽波滑行波能量分布S 波P 波能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51462023 年 10 月Oct.,2023田志超，等基于槽波地震勘探技术的工作面底板折射地震波响应特征研究3.5 m 范围内的断层，工作面内部裂隙较为发育。工作面顶底板岩性情况如表 1 所示。表 111607 工作面顶底板岩性特征3施工方案与数据分析3.1施工方案与数据处理本次探测使用的仪器为安徽惠州院研发的YZD11 型矿井防爆地震仪。该仪器具有多分量、多波地震勘探和空间布置灵活等特征，可对探测区域形成高精度区域地震波扫描，并有效评估工作面内地质异常信息，可完全满足探测需求。探测在 11607工作面进行，具体施工时沿轨道顺槽布置检波器。检波点道间距为 10 m，共布置 66 道；沿皮带顺槽布置炮点，炮间距设置为 10 m，共布置 62 炮。11607 工作面槽波探测布置情况如表 2 所示。表 211607 工作面槽波探布置情况具体施工流程如下：运输、测量、打孔、安装检波器与仪器、放炮、收工。首先，根据目标体位置设定炮点打孔位置，孔深平均在 24 m 之间，施工时单炮炸药量为 200 g。另外，使用转接头将检波器与锚杆进行耦合连接。当设计的检波点安装处无锚杆时，在原位置相差不超过 2 m 范围内就近寻找锚杆连接，或者在原安装位置处打入钢筋，以充当“临时锚杆”。最后，待施工完成后，参照相应技术要求和安全保障措施，对施工质量进行评价，发现所采集数据的原始数据质量较高，并且所得数据全部合格，如表 3 所示。表 3施工质量统计3.2数据处理与成像对槽波地震勘探所得数据处理也是得到有效地质信息的关键所在。待数据采集完成后，首先根据检波点、炮点所在位置建立观测系统；然后对数据进行初始校正，并剔除坏道和进行滤波；最后对预处理后的数据进行几何扩散矫正、吸收衰减矫正，并对单炮进行记录分析，如图 2 所示。上述工作完成后，再根据 11607 工作面实际情况和施工范围建立一个沿着X方向和Y方向分布的模型。网格大小约为 5 m5 m，X方向设置 140 个格点，Y方向设置 23 个格点。然后依据 CT 成像原理，把处理后的能量数据分配到各个网格，并进行迭代求解，最终得到此模型上每个网格点的能量分布数据，最后将网格数据绘制成等值区图，进行三维成像。图 2工作面内包含折射地震波的单炮记录4地质资料解释由折射地震波形成机理可知，折射地震波形成需要良好的顶底板与煤层形成的分界面。当煤层存在缺失、顶板异常或存在断层时，折射地震波的速度、频率和能量等参数都会出现显著改变。因此，在对折射地震波的异常区域进行解释时，主要以低频槽波与滑行 P 波能量衰减系数 CT 图为主要依据，并结合 11607 工作面已知地质条件和实际揭露情况进行综合解释。图 3 为 11607 工作面不同深度层位的底板折射地震波能量衰减系数 CT 图。其中，色标由冷色到暖色代表能量衰减系数由小到大，且暖色色彩越深，表示地质异常程度越重。从图中可以看出，在 10 m层位横向方位 0100 m 和 300400 m 范围内存在局部异常情况，结合矿井地质资料进行综合分析，推测此处为局部裂隙或断层发育所致。综合 1030 m层位 CT 图分析，发现 3 个层位 CT 图内横向方位的500700 m 范围内均存在显著的异常情况，且形成贯通现象，根据相邻巷道已揭露情况分析，推测此处异常区域为断层显现，且较为发育；综合 3070 m顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征老顶石灰岩5.32灰 深灰色，富含蜓科等化石，夹炭泥质条带，局部质硬，具裂隙及方解石脉。普氏系数 14.015.9直接顶石灰岩5.32灰 深灰色，富含蜓科等化石，夹炭泥质条带，局部质硬，具裂隙及方解石脉。普氏系数 14.015.9直接底泥岩0.40 浅灰色，含植物根化石老底石灰岩1.1灰色，富含蜓科化石，质不纯，具裂隙及方解石脉。普氏系数 6.07.8炮点编号炮点所在巷道炮数/个检波点编号检波点所在巷道检波点数/个S1S62皮带顺槽62R1R66轨道顺槽66合计-62-66名称炮点数不合格炮点数槽波清晰炮数折射地震波清晰炮数11607 工作面62 个0 个0 炮62 炮检查比例100%100%100%100%合格率100%100%-100%折射纵波折射横波槽波1472023 年 10 月Oct.,2023层位 CT 图进行分析，发现从 30 m 层位横向方位的0100 m 范围内开始，向深层层位异常逐渐变化，到70 m 层位 CT 图的异常区域范围已扩展至横向方位 0400 m，观察发现此处的 CT 图成像具有清晰的断层形态，且根据相邻巷道揭露情况综合分析，推断此处异常区域为断层裂隙强发育带。以上异常区域均列为地质异常区域进行重点防治。5结论与建议对岱庄煤矿 11607 工作面利用槽波地震勘探技术进行探测，利用 CT 成像技术对探测槽波特征参数进行综合反演，并通过分析折射地震波响应特征来推断工作面内部的地质异常区域，所划分的地质异常区域均与后期实际揭露和打钻较为吻合。综合此次探测成果，得出以下结论：（1）当工作面及底板内部存在地质异常区域时，底板折射地震波速度、能量等特征参数也会存在显著变化，通过 CT 成像技术能有效反演探测区域地质赋存情况。同时，在解释时结合不同深度层位成像图进行综合分析，能更准确、直观地识别地质异常区域在三维空间的分布情况。（2）槽波地震勘探技术探测效果的评价与底板折射地震波发育等有较强的关联性，若地震波不发育时，可通过其他钻探测手段进行补充分析。同时，工作面回采过程是一个动态过程，在开采扰动和应力变化的情况下，可能会改变原有地质赋存情况，因此在回采过程中若发现地质异常现象，应及时进行新的探测。参考文献1齐庆新，潘一山，李海涛，等.煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术 J.煤炭学报，2020，45（5）：1567-1584.2王保利，金丹，张唤兰，等.煤层中断层的透射槽波定量响应特征 J.煤炭学报，2022，47（8）：2895-2991.3蔺国华.透射槽波方法在中厚煤层隐伏小断层探测中的应用 J.中国煤炭地质，2018，30（增刊 1）：113-114.4赵伟，马济国，匡伟.淮南矿区潘二煤矿 A 组煤槽波透射法探测试验研究 J.矿山测量，2020，48（3）：82-85.5陈超，曹路通.基于三维数值模拟的复杂构造地区槽波精细探测研究 J.能源与环保，2021（12）：128-134.作者简介田志超（1985-），男，工程师，毕业于山东科技大学地质工程专业，长期从事地测防治水技术管理工作。收稿日期：2023-02-02图 3不同深度层位 11607 工作面底板折射地震波能量衰减系数 CT 图底板 10 m 深度底板 20 m 深度底板 30 m 深度底板 40 m 深度底板 50 m 深度底板 60 m 深度底板 70 m 深度距离/m1002003004005006000能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5148