地震槽波探测煤厚与断层在新田煤矿的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.004地震槽波探测煤厚与断层在新田煤矿的应用（1.永贵能源开发有限责任公司，贵州 贵阳 550000；2.河南能源化工集团研究总院有限公司，河南 郑州 450000）摘要 为了减少断层和煤厚变化对工作面正常生产和瓦斯治理带来的影响，利用地震槽波勘探技术对新田煤矿 1901 工作面进行了透反射联合勘探。通过透射法 CT 成像和反射法共中心点叠加及时深转换等手段，得出了新田煤矿 1901 工作面断层向工作面内延伸的落差范围和工作面煤厚变化区域，得出的结论经工作面回采得到了相应验证，可为矿井生产和瓦斯治理提供依据。关键词 地震槽波；频散；透射法；反射法；联合勘探；瓦斯治理中图分类号P631.4文献标识码A文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0012蛳 050引言煤层厚度变化和断层构造是我国煤炭生产最为普遍的致灾地质因素。煤层厚度变化会导致瓦斯含量和压力产生变化，并改变局部应力分布状况；断层不但破坏了煤体的连续性，使煤层和顶底板破碎，同时也造成了局部应力集中的情况。特别针对煤与瓦斯突出矿井而言，煤层厚度变化和断层对生产和瓦斯防治工作带来了重要挑战咱员原2暂。目前对于煤层厚度变化和断层构造较为有效且应用广泛的地球物理探测方法主要包括地面三维地震、无线电波坑透、地震槽波勘探、炮（震）法超前探等。其中三维地震受到地形的限制，在贵州山区无法开展；无线电波坑透无法对煤层进行定量化解译；炮（震）法超前探不能对工作面内部的地质构造进行探测咱3原4暂。相较而言，地震槽波勘探技术在煤层厚度和断层探测方面独具优势，在国内也开展了广泛的应用咱5原6暂。本次利用地震槽波透、反射法对 1901工作面进行了联合勘探，取得了一定的研究成果，为工作面高效回采和瓦斯防治提供了依据。1研究区概况1.1工作面概况河南能源化工集团贵州公司新田煤矿位于贵州省黔西县，主采 4#、9#煤层，为煤与瓦斯突出矿井，一期设计生产能力 60 万 t/a。该矿 1901 工作面位于+865 水平一采区，南部为北翼 3 条大巷，东北侧为 1903 未采工作面、西南侧为 1902 未采工作面。该工作面回采 9#煤层，回采范围上方为原 1401工作面采空区，间距 2833 m。地面标高+1 250.2+1 402.7 m，工作面标高+880+920 m，平均埋深超过 400 m。走向长为 110 m，倾斜长为 560（胶带）590 m（轨道），可采煤层面积 63 250 m2。1901 工作面位置关系如图 1 所示。该工作面对应地表为双山沟及周边山地，无大型建筑物和河流。图 11901 工作面巷道位置关系该工作面 9#煤层厚度 2.53.9 m，平均 3.41 m，煤层倾角 0毅15毅，平均 3毅，结构简单，煤层在工作面北侧存在分叉现象。9#煤层伪顶不发育；直接顶主要为泥质粉砂岩，厚度 6.51 m；基本顶为褐灰色细砂岩，厚 4.21 m；直接底为粉砂质泥岩，厚度 3.08 m；基本底为 B3 灰岩、粉砂岩，厚度 6.39 m。1.2致灾因素分析新田煤矿为煤与瓦斯突出矿井，受到严重的瓦斯灾害影响，曾发生过重大瓦斯灾害事故，造成人员伤亡和财产损失。1901 工作面上部 4#煤层已回采结束，9#煤层原始瓦斯含量 10.07 m3/t，本煤层抽放后残余瓦斯含量 5.648 9 m3/t，瓦斯含量较高，煤质较硬，加之受到保护层开采泄压影响，预计回采过程中瓦斯涌出量较高。基于以上分析，工作面在回采过程中主要受到煤层厚度变化和地质构造的影响，导致瓦斯赋存不均匀、局部应力变化异常及基金项目：山西师范大学地理科学学院青年科学基金项目（42004088）1901 轨道运输巷1901 胶带运输巷1901 工作面1902 工作面1903 工作面北能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4122023 年 8 月Aug.,2023顶底板破碎，影响工作面生产和瓦斯防治工作。根据回采地质说明书，在本次地震槽波勘探测区内，9#煤层稳定，厚度变化不大；工作面胶带运输巷揭露了 1 条逆断层 F1401-4和 1 条正断层 F1401-5，距离切眼距离分别 116 m 和 21.2 m，落差分别为 3 m和 2.1 m，2 条断层倾向相同，且在轨道运输巷中未揭露，可能在工作面内部尖灭，预计对工作面回采有一定影响。因此本次地震槽波勘探的主要目的是利用透射法和反射法对工作面隐伏薄煤区发育情况和断层在工作面内的延伸情况进行探测。2勘探方案确定1901 工作面槽波地震勘探的主要目的是对工作面煤层厚度变化情况及断层的发育情况进行探测。基于地震槽波明显的频散特征，可选择合适的频率提取波速，并与煤层厚度拟合而对煤层厚度进行探测咱7暂；槽波在通过断层时会发生反射而产生衰减，因此可对反射波和透射能量衰减情况进行分析，从而对断层落差和延展情况进行预测咱8暂。综上所述，决定对 1901 工作面采用透反射联合勘探，对煤层厚度变化和断层发育情况进行探测。3地震槽波勘探设计与施工3.1透射法设计与施工本次 1901 工作面槽波透射勘探测区长 585 m。胶带运输巷设计检波孔，轨道运输巷设计炮孔。检波器点设计：在胶带运输巷内帮设计检波器孔36 个，间距 16 m，孔深 2 m。炮点设计：在轨道运输巷内帮设计炮孔 59 个，孔距 10 m，孔深 2 m；每炮装入乳化炸药 150 g，统一使用 1 段雷管引爆。所有检波器孔和炮孔必须顺层布置在煤层中，与巷道呈正交关系，尽量靠近煤层中间位置，应避免布置在松动的煤体之中。观测系统如图 2 所示。图 21901 工作面透射槽波观测系统3.2反射法设计与施工本次 1901 工作面槽波反射勘探测区长 110 m。检波器和炮点均设计在切眼内帮。检波器点设计：切眼内帮设计检波孔 10 个，孔距 10 m。炮点设计：在切眼内帮设计炮孔 11 个，孔距 10 m，孔深 2 m；每炮装入乳化炸药 150 g，统一使用 1 段雷管引爆。所有检波器孔和炮孔必须顺层布置在煤层中，与巷道呈正交关系，尽量靠近煤层中间位置，应避免布置在松动的煤体之中。观测系统如图 3 所示。图 31901 工作面反射槽波观测系统4数据处理、解译与验证4.1反射法数据处理与成果解译（1）反射槽波辨识。本次 1901 工作面切眼反射槽波勘探，接收到的直达槽波明显，而反射槽波不明显，分析可能由于 F1401-5断层距离切眼仅 20 m，导致反射槽波与直达槽波混在一起，视觉难以区分。而该断层对槽波的透射和反射产生了 2 次阻碍，导致 F1401-4断层位置也没有明显的反射槽波。切眼反射地震如图 4 所示。（a）S1 地震记录（b）S2 地震记录图 4切眼反射地震记录（2）反射槽波数据处理与解译。使用地震槽波何志龙，等地震槽波探测煤厚与断层在新田煤矿的应用炮孔检波器孔1901 轨道运输巷1901 工作面1901 胶带运输巷炮孔检波器孔1901 轨道运输巷1901 工作面1901 胶带运输巷道号2729313233343536636567697071720100200300道号2729313233343536636567697071720100200300132023 年 8 月Aug.,2023处理软件 SPW，对 1901 工作面切眼反射数据进行滤波、增益、包络、抽道集、叠加等，得到叠加后的反射地震剖面。1901 工作面的 2 条规模较大断层是倾向断层，与切眼近乎平行，为解决信噪比较低问题，选用了适宜的共中心点叠加方法进行处理，把同一反射点的不同炮检距射线数据经正常时差校正后进行迭加。槽波波速在 7001 300 m/s 范围内以 50 m/s 为间隔，对数据进行处理后，反射震相依然不明显。800 m/s 和 1 100 m/s 速度下共中心点叠加剖面如图 5 所示。（a）800 m/s（b）1 100 m/s图 5共中心点叠加剖面4.2透射法数据处理与成果解译（1）原始数据辨识与频散分析。本次透射法槽波勘探，实际采集地震道 2 124 道。图 6 是 1901 工作面现场采集的原始地震槽波记录，其中图 6（a）是槽波发育较好的炮集，图 6（b）是槽波发育一般的炮集。本次勘探数据中槽波发育整体较好，为数据处理和解译提供了良好的条件。（a）S29（b）S2图 61901 工作面 2 个典型的炮集记录利用槽波解译软件 SPW 中 Gabor 变换的局部化分析功能来计算，构成槽波信号的频散曲线。较好的频散曲线如图 7（a）所示，较差的频散曲线如图7（b）所示。（a）S15-G2（b）S18-G2图 71901 工作面槽波频散曲线（2）层析成像与成果解译。本次新田煤矿 1901工作面槽波勘探数据的槽波主频偏高，经综合对比分析，采用了 140 Hz 为拾取频率。该面整体槽波发育较好，在实际采集的 2 124 道地震数据中，拾取槽波射线 1 135 道，占比 53.4%，在整个测区的分布情况如图 8 所示，除了勘探测区两端的 2 个三角区域外，其他区域射线密度均较高。根据射线密集情况将勘探测区划分为“有效测区”和“参考测区”。通过对槽波射线分布情况进行分析，本次参考测区主要是因为工作面宽度较小造成的。经统计，在煤厚 3.4 m 左右的情况下有效提取槽波数据的最短距离为 90110 m。道号0100200300400500123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20道号0100200300400500123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 204812162024283236404448525660646872道号48121620242832364044485256606468720100200300205080110140170200230260290PXLoo 2TXLoo 150100200300205080110140170200230260290PXLoo 2TXLoo 18道号槽波槽波能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4频率/Hz频率/Hz142023 年 8 月Aug.,2023新田煤矿 1901 工作面槽波数据经处理，得到140 Hz 频率下的速度等值线，如图 9 所示。成果图显示，测区中段（304404 m）整体速度较高，多数大于 1 200 m/s，其他区域速度相对较低，多数小于1 200 m/s。根据煤厚与槽波速度的负相关关系，结合工作面揭露煤厚信息，认为槽波速度大于1 200 m/s 的区域煤层相对较薄。经综合研判后，共圈出 1 个煤厚小于 3.0 m 和 2 个煤厚大于 3.8 m 的区域，具体情况如图 10 所示。图 101901 工作面槽波预测煤层情况图 81901 工作面槽波射线分区情况图 91901 工作面槽波波速等值线（3）透射法断层解译技术。由于反射法未能有效提取反射槽波数据，因此决定通过断层内透射槽波发育情况对断层位置和落差进行分析。透射槽波在通过断层时如果断层落差大于 1/2 煤厚，槽波发育较差，甚至无法收到槽波数据。根据这一原理，对通过 2 个断层的槽波情况进行分析可知，在 F1401-5断层 512 道检波器上 S1S5 的部分道集槽波发育较差，在 F1401-4断层 15、17、18、22 道检波器上也发现部分道集槽波发育较差，且并非由于距离因素造成的，据此可对断层延伸情况进行预测。图 11（a）和图 11（b）分别为通过 F1401-5和 F1401-4断层发育较好和发育较差槽波的边界。由于槽波发育受到地质条件、构造、激发条件等多因素影响，对其进行综合考虑，对断层的发育情况进行了预测，其中 F1401-5和F1401-4断层落差小于 1/2 位置分别位于工作面向里延伸 76.2 m 和 66.8 m 处。预测断层延伸情况如图11（c）所示。（a）F1401-5断层透射槽波参考测区有效测区参考测区煤厚 3.0 m煤厚 3.8 m3.0 m3.8 m3.8 m质量较好的槽波边界质量较差的槽波边界S25S20S15S10S5S1S55S50S45S40S35S30G27G36S25S20S15S10S5S1S55S50S45S40S35S30G35G30G25G20G15G10G5G1G35G30G25G20G15G10G5G1G27S25S20S15S10S5S50S45S40S35S30G30G25G20G15G10G5G1G27G35G38G36G36S55S59S1S11S5S1能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4152023 年 8 月Aug.,2023（b）F1401-4断层透射槽波（c）断层 1/2 落差延伸范围预测图 11断层透射槽波情况分析4.3回采验证情况1901 工作面目前已经回采完毕，通过回采实际揭露情况可知，该工作面 9#煤层煤厚 2.14.1 m，平均煤厚 3.29 m，工作面外段煤层相对较厚，与地震槽波勘探成果较为一致。F1401-4断层在工作面内延伸 91 m，落差自回风顺槽向运输顺槽逐渐变小，在预测位置落差约 1.6 m，误差 6%；F1401-5断层几乎发育至运输顺槽，向工作面内延伸前 15 m 左右落差变化不大，之后逐渐变小，在预测位置落差约1.4 m，误差 17%，能够很好地指导工作面安全回采。由断层情况分析可知，相比 F1401-5正断层而言，F1401-4逆断层倾角较小，断层带较宽，落差更大，但延伸长度更小。断层实际揭露情况如图 12 所示。图 12断层实际揭露情况对比5结论针对 1901 工作面进行的地震槽波透反射联合勘探取得了一定的成果，研究证实：单一的勘探手段有时难以较好地完成勘探目标，采用综合勘探手段，能够对其进行补充和验证。本次研究还存在一定不足之处，如没有准确给出煤层厚度与探测距离之间关系等，需要后续进一步研究。主要结论如下：（1）反射法断层探测。采用地震槽波反射法时，若断层距离观测位置过近，则反射槽波与直达槽波和 S 波混在一起，肉眼难以辨识，无法对反射数据进行提取。在首条断层对透射数据和反射数据进行阻挡的情况下，其后的断层亦无法有效探测。（2）透射法断层探测。通过对透射槽波穿过断层时槽波数据进行分析，可以对断层的延伸长度进行预测。根据本次成果，F1401-5断层和 F1401-4断层向工作面内延伸落差大于煤厚 1/2 的长度分别为 76 m和 67 m，经回采验证，基本一致。（3）透射法煤层厚度探测。工作面宽度较小时，有可能导致垂直透射槽波与 S 波混在一起难以分辨，煤厚 3.4 m 左右稳定煤层透射法提取有效槽波数据的最短距离为 90110 m；根据透射法探测结果，1901 工作面煤层厚度较稳定，共有 2 个煤厚大于 3.8 m 的区域和 1 个煤厚小于 3 m 的区域。煤层厚度在非常稳定的情况下，会影响槽波的分辨率，煤厚趋势可以正常判断，但煤层厚度会出现一定的误差。参考文献1范启炜，王魁军，曹林.我国煤矿瓦斯灾害事故频发的原因分析 J.中国煤炭，2003，29（7）：9-11.2孙庆刚.中国煤矿瓦斯灾害现状与防治对策研究 J.中国煤炭，2014，40（3）：116-119.3申青春，姚江宇，姚小帅，等.无线电波透视仪在煤厚探测中的应用分析 J.中州煤炭，2012（9）：26-27.4金明方，张高青，徐锟，等.基于地震槽波的致灾地质因素探测技术 J.煤矿安全，2021，52（1）：103-106.5李松营，廉洁，滕吉文，等.基于槽波透射法的采煤工作面煤厚解释技术 J.煤炭学报，2017，42（3）：719-725.6廉洁，李松营，王伟，等.槽波地震勘探技术在义马矿区的应用 J.煤炭科学技术，2015，43（12）：162-165.7乔勇虎，滕吉文.煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析 J.地球物理学报，2018，61（8）：3374-3384.8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）：2985-2991.作者简介何志龙（1984-），男，工程师，毕业中国矿业大学地质工程专业，长期从事煤矿地质、防治水、“一通三防”等相关技术工作。收稿日期：2023-02-26质量较差的槽波边界落差大于 1/2 煤厚的断层范围回采实际揭露断层情况槽波预测断层延展情况能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.416