白永利1
(1..华虹智能科技股份有限公司，福建省福州市，350001)
摘 要：断层是影响采煤工作面资源回采率的重要因素，同时也是引发煤矿井下水害、瓦斯突出等地质灾害的重要因素，采煤工作面回采前应查明断层等地质构造发育情况，对于落差较大的断层采用钻探、物探等技术能够较易探查，但对于落差较小的断层则对探测技术及设备精度要求极高，且往往难以探查清楚。槽波透视勘探技术是井下回采工作面地质构造探查精度最高的物探方法之一。文中介绍了槽波透视勘探基础原理及应用方向，并应用该技术对回采工作面小断层发育情况进行实际探测应用，同时采用CT成像技术对槽波能量衰减系数进行成像，应用效果表明，槽波透视勘探技术能够有效查明回采工作面小构造发育情况，为煤矿安全高效回采提供技术依据。
0 引言
地质构造是影响安全高效生产的重要因素之一，严重影响着机械化采煤的效率与煤炭资源的最大回采率，特别是随着煤炭资源趋于深部开采的当下，受沉积环境、应力分布等影响，地质构造越发复杂，发育规模较大的地质构造采用现有的钻探、物探等技术手段能够较为容易的探查清楚，但对于同样严重影响着煤矿安全高效生产的发育规模较小的地质构造，对探测技术及装备的要求极高，如落差较小的断层。槽波透视勘探技术早在80年代就已经被广泛应用在回采工作面地质构造探查与研究方面，是煤矿井下回采工作面地质构造探查最为有效的物探方法之一，该技术经过多年的发展与升级优化，相比坑透技术具备探测距离远、勘探精度高、受现场电磁干扰因素影响小等优势，相比地面三维地震不会因为地形地质条件、勘探深度过大等影响而造成分辨率不够、偏差大等问题，通过合理布置炮点与检波点达到多次覆盖，结合CT成像技术对槽波波速、能量等属性进行成像，并结合地质资料与现场实际情况，能够有效查明落差较小的断层的发育情况，进而为煤矿井下采煤工作面安全、高效回采提供技术保障。
1 槽波透视勘探技术方法
井下煤层处于顶板、底板均为岩层的槽状空间内(如图1)，且顶底板的岩层多为泥岩、砂岩、灰岩等，相比煤层而言硬化程度高、密度大、地震波速大，这样顶底围岩与煤层相比具有了较大的波阻抗差异，顶底界面成为了高波阻抗界面。当在煤层内部采用炸药、锤击等震源激发地震波并向外传播时，P波、S波会在顶底界面产生全反射，并相互叠加、干涉，进而形成一种具有频散特性的地震波，即槽波。槽波形成示意图见图2。

由于不同体波干涉，形成的槽波具有不同特点，通常将槽波分为两种：
(1)瑞雷(Rayleigh)型槽波，这是由P波与SV波相互干涉形成的，其质点是在垂直于煤层，而包含射线的平面内作椭圆形逆行极化。
(2)拉夫(Love)型槽波。它是SH波干涉形成的，它的质点是在平行于煤层的平面、垂直于传播方向的平面内作线性极化振动，是一种纯SH波。所以说，槽波并非新的什么波，如同散频面波一样，槽波可以直观地看成是平面体波在煤层与围岩界面上多次反射和折射，进而规则干涉的结果。在煤层中激发出地震波时，槽波沿着围岩—煤层—围岩层序传播，它的波长与煤层厚度为同一数量级。由于围岩与煤层的速度比和密度比不同，在煤层的垂直距离上，槽波的振幅是不同的，由于低速地震槽和其直接条件的限制，槽波的振幅随着到震源距离的增加而产生的衰减，比在三维空间传播的体波要小。因此，煤层不仅对在煤层中的槽波，而且对相邻围岩中的槽波都是一个二维导体。煤层波与槽波概念是同义的，它包括在煤层及其邻近围岩中可记录的波的总和。槽波单个部分称为波组。
煤矿探测中通常使用拉夫型槽波。在井下使用拉夫型槽波比较有利，原因在于：
(1)与瑞雷型槽波相比，拉夫型槽波的物理构成比较简单，这使它的解释较容易。
(2)与瑞雷型槽波相比，拉夫型槽波可用较少的记录分量进行记录，因此在测量道数有限的情况下，运用拉夫型槽波可减少经济支出。同时，检波器布置方便，施工效率高。
(3)在围岩对称煤层中，拉夫型槽波的基本模式是对称的。它在深层中心平面产生最大的振幅，这就使得拉夫型槽波易于记录。为了最大程度的接收到拉夫型槽波，在施工中尽量将检波器安装在煤层中央或厚分层中央位置。
槽波透视地震勘探一般通过布置在一条巷道的炮点激发地震波，并在煤层中传播，通过布置在另一条巷道的检波器接收地震波，通过室内软件对槽波进行提取、属性分析、CT成像等技术进行处理与分析，进而达到回采工作面内部地质构造发育情况、煤厚变化等精细探测。槽波透视勘探施工示意图见图3。

2 应用案例
2.1 工区概况
工区位于某矿9-207工作面，该工作面走向回采长度1200m，倾向长度240m，开采煤层为太原组9#煤层，煤种为焦煤，煤厚2.7～3.1m，平均煤厚3.0m，煤层平均倾角6°。顶板为6.4米厚的深灰色砂质泥岩，含根部化石和黄铁矿，底板为7.2米厚的深灰色砂质泥岩，水平层理明显。
工作面巷道掘进过程中合计揭露27条断层，其中9-2071巷揭露13条断层，编号为f1-f13，9-2072巷揭露10条断层，编号为f14-f23，切眼揭露4条断层，编号为f24-f27，且落差小于等于1/3煤厚的断层合计22条，落差小于1/2煤厚、大于1/3煤厚的断层合计4条，表1为9-207工作面断层统计表。

2.2 勘探设计
槽波透射勘探施工时，材料巷及运输巷均对应布置测线长度1200m，检波点121个，检波点间距10m，炮点60个，炮点间距20m，每条巷道1个炮点激发时对应另一条巷道所有检波点接收。图4为9-207面工作观测系统布置示意图(9-2072巷发射9-2071巷接收的单炮观测系统布置图)，9-2071巷发射9-2072巷接收的观测系统采用同样对称布置的方式。
2.3 资料处理与分析
槽波透视勘探数据采用《KDZ3114槽波数据处理软件系统》进行处理，该软件系统为福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的新一代槽波处理软件。通主要过数据加载、观测系统建立、零漂校正、小波变换、能量补偿、槽波提取、频散分析、AGC、早切晚切、CT成像等流程处理，最终形成槽波能量衰减系数成像图。
槽波透视勘探原始单炮记录中含有P波、S波、槽波信息，且速度VP＞VS＞V槽波。
当煤层中发育断层等地质构造时，若断层落差大于煤层厚度，煤层被完全断开，则槽波无法穿透到达断层另一盘，造成槽波能量的迅速衰减；当断层落差小于煤厚但大于1/2煤厚时，煤层没有被完全断开，煤层的上下盘之间仍有煤层连接，这就相当于过断层区域的煤厚变薄，过断层前后槽波的总体能量降低，能量衰减的越多，则断层的落差也越大；当断层落差小于1/2煤厚时，大部分槽波能够穿透断层，槽波能量同样存在衰减，但衰减较小。通过原始记录可以初步判断断层发育情况。9-2072巷发射9-2071巷接收的S36单炮原始记录如图5。

槽波是典型的频散波，即槽波的速度随频率的改变而变化。在估计出围岩与煤层纵、横波速度等参数后，计算出的单炮槽波频散曲线如图6所示。从图中可看出，该组数据埃里相主要集中发育在75Hz附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。实测数据中包含各种频率的噪声，但其噪声成分主要集中在0～35Hz范围以内，可以有效滤除，对本次数据处理影响不大。

通过频散分析确定了优势频率，并进行槽波提，最终为槽波能量衰减系数CT成像提供基础。
2.4 勘探成果
通过对槽波透射数据的处理，最终得到《9-207工作面槽波能量衰减系数CT成像平面成果图》，见图7。
图中按蓝色→浅蓝色→绿色→黄色→红色的渐变变化顺序代表吸收系数逐渐增大的顺序，吸收系数较大区域为构造可能发育区域，并确定了12个槽波衰减系数高值异常区，编号为CBN1#～CBN12#，9-207停采线处通过实际揭露得知为煤厚变化区影响区，未做解释。
通过将CT成像图与巷道揭露的地质情况进行对比，确定了成果的可靠性，同时，进一步判断出未知区域的构造发育情况，并形成综合地质成果解释，详细见表2。


3 结束语
1）通过将9-207工作面槽波透视勘探能量衰减系数图与巷道揭露地质情况进行对比可以看出，无论是独立发育的小断层(如f1、f2、f5、f7、f12，其中除f12的落差在1/3～1/2煤厚，其他均为落差小于1/2煤厚的断层)，还是密集发育的复合小断层(如f3～f4、f6～f7、f8～f11、f24～f16、f18～f20、f21～f23、f24～f27)，槽波透视勘探能够有效查明断层及其影响带的发育范围，对于独立发育的小断层能够根据能量衰减条带发育规律进一步推断出小断层的延展情况，对于密集发育的复合小断层由于小断层及影响带的重叠性及断层与影响带物性差异微弱，仅从槽波能量衰减异常发育形态判断各个小断层的延展情况较难，需要结合实际巷道揭露断层产状才能进一步判断其延展情况，进而能够更好的为煤矿地质工作、安全高效生产工作提供技术依据。
2）槽波透射勘探技术探测回采工作面小断层的地质解释工作应紧密结合已有地质资料，如实测剖面图、采掘工程平面图、煤层底板等高线图、钻探资料等，通过已知小断层验证反演效果的准确性及为反演参数调整提供基础依据，进而通过实测小断层判断隐伏小断层，由面外小断层到面内小断层，根据合理的解释原则能够进一步提高小构造勘探精度。
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作者简介：白永利(1989-)，男，内蒙古通辽市人，汉族，物探工程师，2011年毕业于中国矿业大学地球物理学专业，获得学士学位，2017年毕业于吉林大学地质工程专业，获得工程硕士学位。现于福州华虹智能科技股份有限公司，从事矿井物探技术与设备应用研究。