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槽波地震勘探技术在煤层小构造探查中的应用研究
新闻作者:白永利  发布时间:2017-03-31  查看次数:  放大 缩小 默认
摘 要:槽波地震勘探技术是煤矿井下探测煤层构造的一种实用方法。文中介绍了槽波反射法与透射法及各方法在井下构造探查工程中的应用,通过工程应用成果说明槽波地震勘探技术可以用来探查煤层构造发育,特别是小构造探查。
关键词:槽波地震勘探;反射法;透射法;自适应延迟求和;速度成像;小构造
0 引言
    随着我国煤炭深部开采与机械化开采程度的不断提升,回采工作面地质构造发育程度愈发复杂,随之而来的安全和生产技术问题也越来越明显。槽波地震勘探技术[1]在探查回采工作面构造发育、煤层厚度变化、夹矸分布、煤巷下段预圈定工作面区构造等方面取得了十分可靠的效果,与地面三维地震技术相比,避免了远距离探测偏差大、小构造难以识别问题,与坑透法[2]相比,不受井下电磁干扰,探测距离大,精度更高,是一种煤层地质构造精细探查的有效方法。
1 槽波地震勘探理论与方法
    煤系地层中,煤层一般处于上部岩层、下部岩层的中间低密度、低速区段,上下界面为高波阻抗界面[3],槽波具有频散特性[4],在煤层中激发体波,因叠加、干涉而形成槽波(如图1)。槽波一般分为勒夫波与瑞雷波[5]两种。槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波,探查煤层不连续性的一种地球物理方法。槽波勘探方法分为透射法(如图2)和反射法(如图3)。透射法一般用于工作面构造探查,反射法可用于工作面构造探查,同时还着重于煤巷两侧构造探查[6]。

2 应用案例
    以下应用案例中数据采集采用的均为福州华虹智能科技股份有限公司自主研发生产的“KDZ3114矿井分布式震波勘探仪”。系统采用先进的分布式架构,利用自动化采集及高精度同步技术,可在井下灵活组合施工,实现工作面震波CT勘探[7]、巷道超前探测[8]、矿井地震勘探等多种震波观测方法的数据采集。系统由数据记录仪(采集器A),放炮启动记录仪(采集器B),传感器[9]等组成。具备系统轻便,设备小巧;不用布设较长的大线与通讯线;数据采集过程中无操作,自动连续记录;独立分散工作,不会发生仪器丢炮现象等特点。系统主要配置见图4。数据处理采用福州华虹智能科技股份有限公司研发的《KDZ3114槽波地震数据处理解释系统》软件平台,该套软件同时具备槽波、P波反射与透射数据的处理。
2.1 山西某煤矿15118工作面反射勘探应用
2.1.1 工作面概况及施工布置简介
    山西某煤矿15118工作面为设计工作面,该面准备开采15号煤,煤层均厚4.76 m,且胶带道、轨道、切眼均未施工,设计15118轨道临近已掘巷道15116轨道掘进过程中揭露3条断层FD14-1、FD14-2、FD14-3,断层落差为1.5m~4.5m,根据地质资料显示15118胶带顺槽240m处可能存在F5正断层,断层落差30m左右,以上断层均会对巷道施工与回采带来影响,故需采用槽波反射勘探技术在15116轨道施工,对设计15118工作面范围构造发育情况进行查明、F5断层延展情况进行精查。具体见表1反射勘探参数与图4反射槽波勘探施工布置平面图。

2.1.2 数据分析及成果解释
    数据处理主要经过数据加载、预处理、建立观测系统、初至校正、能量补偿、数据分析(速度分析、频散分析)、槽波提取、包络计算、动校正、包络叠加、ALS(自适应延迟求)和偏移成像。最终得到能量叠加分布图。图5为槽波原始记录、图6为15118工作面反射槽波勘探能量叠加分布图。

图5 槽波原始记录
    能量叠加分布图表示不同位置反射界面或散射体存在的振幅叠加与能量叠加的大小,由网格化振幅能量叠加而得,其中蓝、绿、黄、红顺序表示反射界面或散射体存在不断增大。通过能量叠加分布图可以看出,此次反射槽波探测共解释4处异常,详见表2 :
表2 探测解释异常区特征分析表


图6 15118工作面反射槽波勘探能量叠加分布图
    通过勘探结果可知,槽波反射勘探精确地反映出15116巷道实际揭露的FD14-1、FD14-2、FD14-3三条断层,分别对其发育状态作出准确判断,并可由解释该3条断层槽波处理参数对F5断层延展作出精确分析。
2.2 淮北某煤矿8202工作面透射勘探应用
2.1.1 工作面概况及施工布置简介
    8202工作面位于淮北某煤矿一水平二采区,所采煤层为8煤,走向长1142~1146m,倾斜长(里段)116~122m,外段130~133m,平均煤厚3.0m,局部靠底部含一层厚0.3m的夹矸,岩性为泥岩。实际揭露、三维地震料显示,共有正断层22条,落差在0.5~8m,机巷揭露12条,风巷揭露6条,切眼及面内4条,落差≤3m的18条,落差>3m的4条。由于该矿断层发育,局部煤层产状异常,三维地震资料存在一定误差,面内断层的走向及落差可能有出入,只有生产过程中加以验证,工作面在回采过程中不排除揭露未探明断层的可能,故须进行槽波精查勘探。采用“完全透视观测系统”对该面进行探查,风道、机道均布置检波点与炮点,检波器采用转接装置接到锚杆上,详见图7观测系统布置平面图及表3透射勘探参数表。

图7 8202槽波透射勘探观测系统布置平面图
表3 透射勘探参数

2.1.2 数据分析及成果解释
    数据处理通过导出与加载→预处理→观测系统建立→初至校正→能量补偿→数据分析(频散、速度、频率分析)→槽波提取→能量反演→频散反演→速度反演等,最终得到槽波速度分布图。频散分析如图8,通过频散分析可以看出不同频率、速度对应集中区段,从而采用多时窗窄带滤波进行滤波。速度分布图如图9,速度分布图中蓝、绿、黄、红顺序表示速度递增顺序,速度越大区域表示岩性密度增大、煤层变薄、构造发育。
通过速度分布图可以看出,8202面周边实见断层、工作面内隐伏断层共22条,在速度分布图中均表现出速度异常,且可以根据速度异常条带延展情况对断层延展形态及范围给出基本信息,据此作出构造发育情况的地址推断,速度分析图中高速带颜色越深、范围越宽,表示断层落差越大,构造影响范围越大。

图8 频散分析图
3 结论
    槽波勘探技术在探查煤层小构造上,能够分辨落差5m以下断层,具有较高分辨率;
    槽波勘探施工方法灵活,根据不同的地质任务与条件可选择不同方法,工作面构造探测可选择透射法与反射法,煤巷侧帮构造探测可采用反射法;
    “完全透视观测系统”在工作面内部构造探查上与反射法、单巷透射观测系统法相比分辨率更高;
    检波器采用转接到锚杆上与传统孔中安装检波器相比,同样可以保证数据真实可靠性、槽波信息丰富性。

图9 8202槽波透射勘探波速分布图
参考文献:
[1] 杨小慧,李德春,于鹏飞. 煤层中瑞利型导波的能量分布[J].煤田地质与勘探,2011,39(4):64-66.
[2] 白永利,王云龙,张鹏.无线电波透视技术在探查隐伏地质构造中的应用[J].煤炭技术, 2015,34(10):107-109.
[3] 姚盛.陆上地震采集技术新进展[J] .工程地球物理学报,2011,8(3):289-296.
[4] 刘天放,程久龙,潘冬明,等. 槽波的吸收衰减[J]. 煤炭学报,1993,18(5):83-86.
[5] 杨真,冯涛,WANG S G. 0.9m薄煤层SH型槽波频散特征波型模式[J]. 地球物理学报,2010,53(2):442-449.
[6] 白永利.应用综合物探技术对小煤窑破坏区的探查分析[J].工程地球物理学报,2016,13(01):130-134.
[7] 杜世通.地震波动力学[M].东营:石油大学出版社,1996.
[8] 王伟,高星,李松营,等. 槽波层析成像方法在煤田勘探中的应用 以河南义马矿区为例[J]. 地球物理学报,2012, 55(3):1054-1062.
[9] 孙瑞霞,张雯霁,黄晓玲. 煤田地质勘探新方法槽波地震勘探[J]. 河北建筑科技学院学报(自然科学版),1998,15(3):59-72.

作者简介
白永利(1989.09-),男,物探工程师,主要从事矿井物探技术工作。
E-mail:baiyongli2410@163.com
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