摘要：采煤工作面在回采过程中经常遇到断层、陷落柱、煤岩体结构破碎带等地质异常体，这些异常体除直接影响施工效率以及设计开采外，还严重影响着矿井水、瓦斯等灾害的发生，给矿井安全高效生产带来极大的威胁，因此，回采前必须对工作面内部地质异常体进行探测与查明。针对采煤工作面地质构造探测，常用的地球物理勘探方法为槽波勘探和无线电波透视勘探，前者利用的是在煤层中干涉形成和传播的地震波，后者利用的是电磁波，两种方法目前在煤矿采煤工作面地质构造的探测中得到了广泛的应用，经验证明，结合两种探测手段，综合分析两种勘探成果并互相验证，会大幅度的提高采煤工作面地质构造探测精准度。近年来，虽然槽波勘探和无线电波透视勘探在全国各地得到了推广应用，但在甘肃、新疆等地的中侏罗系巨厚煤层采煤工作面的应用案例相对较少，本文以甘肃某矿1802采煤工作面槽波与无线电波综合勘探工程为案例，结合该工作面的实际地质资料和勘探成果进行对比分析，此次槽波地震和无线电波透射勘探效果良好，充分说明了槽波地震和无线电波透视综合勘探技术在巨厚煤层、大面宽采煤工作面能够有效探查回采工作面地质构造发育情况，为煤矿安全高效生产提供技术依据。
关键词：槽波地震勘探；无线电波透视；巨厚煤层；大面宽；构造探测
1 工程概况及探测任务
本次勘探所在的1802采煤工作面，其工作面宽240m。主要开采中侏罗系下部延安组8#煤层，煤层最厚为17.17m，最薄为11.78m，平均13m左右，工作面顶底板均为泥岩、粉砂岩系列沉积地层，工作面内部多发育落差0.5—10m不等的大小正断层，尤其是在停采线以里350m范围内，发育有数条落差在6—10m的大断层，严重影响着工作面的开采设计和施工效率，也对工作面的安全回采形成较大安全隐患。此外，在工作面内横穿有一条井田所处区域内发育较大的向斜，向斜为煤系地层向斜，两翼极为宽缓，向斜南翼倾角约3～4°，北翼约5°，根据矿方的探测任务要求，基于1802采煤工作面的地质概况，最终确定采用槽波地震与无线电波透视综合勘探的方法来对工作面内部构造进行精准的探测。探测任务主要如下：
(1)采用无线电波透视勘探对1802工作面内部地质构造发育情况进行探查。
(2)槽波地震勘探主要探测范围为1802停采线至停采线以里330m段范围，主要探查断层F29、F30、F31、F35在面内的延伸情况以及其它可能存在的隐伏构造发育情况。
2 方法选择依据和方法简介
2.1方法选择依据
本次勘探结合了采煤工作面的地质及地球物理特征，也考虑了槽波地震勘探与无线电波透视勘探技术各自的优缺点，最终确定采用槽波地震勘探与无线电波透视勘探的综合勘探方案，其勘探方法选择依据如下：
(1)勘探区地球物理条件
首先，由于含煤地层是典型的层状结构，在垂直岩层方向上煤系内地层之间的物性差异明显，以1802采煤工作面为例，其开采8#煤层，煤层赋存稳定，且厚度平均为13m，比重为1.32-1.89，煤层顶底板均为泥岩，煤层与顶底板地层的岩石物性相比，具有地震波速度低、岩石密度小的特点。因此，8#煤层上下界面都是一个极强的波阻抗分界面并形成了以煤层为中心的低速波导层，这也是槽波在煤层中形成和发育的基础。
其次，由于1802工作面煤层厚度大且赋存稳定，非常有利于电磁波的穿透，一般来说，若1802工作面内部煤层厚度稳定且完整，没有构造等地质因素切割影响的话，完整的煤层相当于各向异性均衡的地质体，当电磁波在其中传播时，能量按一定规律衰减，且衰减较小，但当煤层中存在断裂构造的界面、煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等时会对电磁波产生折射、反射和吸收，进而造成电磁波能量的损耗，这就会形成无线电波透视阴影(异常区)，也即工作面内部可能存在的构造发育区。
综上所述，1802工作面的地质条件基本具备槽波地震和无线电波透视探测的地球物理基础。
(2)槽波地震和无线电波透视勘探的优劣
虽然槽波地震勘探和无线电波透视勘探都可以对采煤工作面的内部地质构造进行探查，但由于两种勘探技术方法的局限性，其均存在一定的不足，以无线电波透视来说，其首先具有在横向上分辨率高，纵向上分辨率低的特点，其对构造在工作面内部的延伸走向及范围圈定的比较模糊，但大概可以圈定构造异常所在的范围，且由于井下无线电磁波的穿透能力受限于发射端，在面对大面宽的采煤工作面时，只能通过降低发射频率来提高穿透能力，这也会降低探测分辨率。而槽波由于是一种只在煤层中传播的导波，其传播时能量的衰减大小以及传播速度和频率特征完全取决于传播路径上煤层厚度以及介质的变化，其对由于地质构造所引起的介质变化带反应更明显和精确，通过分析槽波信号的能量衰减规律、传播速度规律以及槽波频率变化规律，可以精确的圈定出工作面煤层内部地质构造的延伸走向和范围，但由于槽波的传播特征主要受煤层厚度的影响较大，当煤层较厚时，若煤层中揭露一些小断层，其对槽波的传播特征影响不大，这也是槽波对一些小构造尤其其规模小于二分之一甚至四分之一煤厚时，槽波的响应可能相对较差。因此，在此次1802工作面内部地质构造探测时，结合工作面煤厚、地质条件以及探测任务，最终才选用了槽波地震和无线电波透视综合勘探方案。
2.2方法简介
2.2.1 槽波地震勘探原理
在含煤地层中，煤层是一个相对低速的地震槽。煤层与围岩间的界面，一般呈现良好的反射面，煤层与其顶底板围岩相比总是以低速度、低密度，从而以低波阻抗出现。在煤层中激发地震波，所激发的纵波、横波均以震源为中心，以球面体波形式向四周传播，并以不同的角度入射到顶底板界面，如图2-1。当入射角小于临界角时，大部分能量将透射到围岩之中，只有少部分能量能量反射回到煤层中，返回到煤层的能量，在煤层来回多次反射、透射而迅速衰减(漏失模式)；当入射角大于等于临界角时，则入射到顶、底板界面的的地震波能量将全反射回到煤层，并在煤层中多次反射，最后禁锢在煤层之中(正常模式)。地震波在煤层这个低速槽内向外扩散传播，其中上行、下行波在煤层中相互干涉、迭加，多数谐波成分相互抵消、削弱，而逐渐消失；只满足一定条件的各种谐波，在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波，在煤层内不断向前传播，这就形成了槽波(channel waves)，也称煤层波(seam waves)。 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。
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。
槽波透射法所用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。如图2-2所示，炮点与检波点(接收点)布置在采区周围不同巷道内。根据槽波的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。 2.2.2 无线电波透视勘探原理
无线电波透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收。或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。如图2-3所示。 交替成层的含煤地层总体上是非均匀介质，电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向，在垂直层理方向是非均匀介质，在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。电磁波透视是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行。假设辐射源(天线轴)中点为原点，在近似均匀、各项同性煤层中，观测点到点的距离为，点的电磁波场强度由下式表示： 式中：H0——在一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强；单位A/m。
β——煤层对电磁波的吸收系数；
r——P点到o点的直线距离，单位m；
f(θ)——方向性因子，θ是偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用f(θ)=sin(θ)来计算。
在辐射条件不随时间变化时，是一常数，吸收系数是影响场强幅值的主要参数，它的值越大，场强变化就越大。吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系：在同一均匀煤层中，频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就近；煤层电阻率越低，吸收系数也越大。
煤层中断裂构造的界面，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影(异常区)。矿井无线电波透视技术，就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。
3 施工布置
3.1 槽波勘探观测系统施工布置
本次槽波地震勘探主要针对1802工作面停采线及停采线以里330m范围，采用槽波透射勘探法观测系统，即在一条巷道布置发射，另一条巷道及切眼同时布置接收，之后换巷发射，接收不变，重复探测至施工结束。施工布置图如下： 3.2 无线电波透视勘探现场施工布置
本次1802工作面无线电波透视工程共布置68个发射点，352个接收点，具体施工图如3-2所示： 4 勘探设备
4.1 槽波勘探使用设备
本次1802工作面槽波勘探设备使用福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的“KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统”，该系统是新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。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、巷道超前探测、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)，传感器等组成，KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图见图4-1。数据记录仪与放炮启动记录仪之间利用高精度时钟同步，在井下同步对时后，所有设备将以同一时间节拍独立工作。数据记录仪不间断连续采集并存储地震数据，放炮启动记录仪记录雷管起爆时间。在完成所有激发工作后进行数据回收，将所有设备构成总线网络，以放炮启动记录仪的放炮启动时间为0从数据记录中“裁剪”出各地震道，并形成单炮记录。 该套系统的特点有：(1)系统轻便，设备小巧；(2)不用布设较长的大线；(3)不用布设通讯线；(4)数据采集过程中无操作，自动连续记录；(5)独立分散工作，不会发生一起丢炮现象等。
4.2 无线电波透视勘探使用设备
本次无线电波透视工作采用YDT88(A)型矿用无线电波透视仪，如图2-1。主机为矿用本质安全型。YDT88(A)矿用无线电波透视仪是由福州华虹智能科技股份有限公司通过引进先进的数字通信调制、高速采样、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪。该仪器具有收发一体、透视距大、信号输出稳定等特点，支持一发多收和双巷不交换施工，操作灵活便利，极大提高了现场的施工效率及探测精度。 5 物探成果分析与物探成果解释
5.1 槽波透视成果分析
现场资料上传上位机处理软件后，通过数据编辑、坐标设置、坏道剔除、初至校正、带通滤波、能量补偿、能量反演等处理步骤，生成了本次1802工作面槽波地震勘探的槽波能量衰减系数反演成像图，其中，暖色代表槽波衰减系数大，蓝绿色代表衰减系数小，本次槽波勘探共圈定7处衰减系数高值异常区，异常编号标识为：CB1～CB7，具体如图5-1。 5.1 无线电波透视成果分析
现场资料上传上位机处理软件后，通过数据编辑、坐标设置、实测场强分布反演、吸收系数反演等处理步骤，生成了本次1802工作面无线电波透视勘探实测场强曲线及分布成像图和吸收系数反演成像图，分别如下图5-2、5-3。 上图5-2中，蓝绿色代表实测场强低值区，白黄红等暖色代表实测场强高值区，实测场强低质区即为探测异常区，实测场强分布图于实测场强曲线图结合分析共圈定5处异常区，分别为KTC1#-KTC5#。
上图5-3中，蓝绿色代表电磁波吸收系数高值区，白黄红等暖色代表电磁波吸收系数低值区，吸收系数高值区即为探测异常区，共圈定9处异常区，分别为KTX1#-KTX9#。
6 探测结论与地质资料验证对比分析与解释
本次1802工作面槽波地震与无线电波透视综合探测工程，经过数据处理和资料解释，并与工作面实际地质资料进行验证对比分析，最终形成了《1802工作面槽波勘探综合地质异常解释成果图》《1802工作面无线电波透视勘探综合地质异常解释成果图》，并结合槽波地震勘探和无线电波透视勘探的勘探成果对1802工作面停采线至停采线以里330m范围的探测成果对该段工作面内部的地质构造发育情况进行了综合分析。
6.1 槽波地震勘探成果与地质资料验证对比分析与解释
结合勘探区本次槽波勘探成果和实际地质资料，共圈定和解释7处勘探异常区。异常编号依次命名为YC1-YC7，异常解释图如图7-1。 其中YC1异常区为回风顺槽揭露F30断层及其向面内的延伸范围和综合影响区域所致；YC2异常区为回风顺槽揭露F31断层、F35断层及其向面内的延伸范围和综合影响区域所致；YC3异常区所处区域可能是煤层变薄区、应力集中区或者在煤层顶底板方向存在隐伏地质构造所导致；YC4异常区可能为运输顺槽揭露断层F29的破碎影响区或者该区域煤层顶底板方向存在隐伏地质构造所致；YC5异常区为运输顺槽揭露断层F29向面内的延伸范围和综合影响区所致；YC6异常区为运输顺槽揭露断层F32向面内的延伸范围和综合影响区域所致；YC7异常区所处区域正好对应北咀--河滩里向斜的轴部，其可能是该区由于位于向斜轴部导致应力集中或者煤层产状变化所导致。
6.2 无线电波透视探测成果与地质资料验证对比分析与解释
根据实测场强曲线值变化特征、岩石吸收系数、实测场强分布成像图、地质资料和现场情况综合分析，通过异常对比分析最终得到本次探测区域内存在9处异常区,编号为KT1#～KT9#，1802工作面无线电波透视探测成果解释图见图6-2。所有成果图件及表格中，横向距离均以切眼后退距离为准，纵向距离均以垂直运输巷向面内为准。异常区具体范围以及解释如表6-1所示。 本次槽波地震勘探与无线电波透视探测二者重合的探测区域为1802采煤工作面停采线至停采线以里330m这一段范围，该区域也是1802工作面构造主要发育区，结合该区域槽波地震勘探与无线电波透视探测成果与该区域实际地质资料，将该区域探测异常区主要分为7处，分别为1#～7#，槽波地震与无线电波透视勘探重合区域探测成果解释图见图6-3，对该区域工作面内部地质构造发育情况综合分析如下表6-2。 通过综合分析槽波地震与无线电波透视探测成果，并与工作面实际揭露的地质资料验证对比分析，本次1802采煤工作面槽波地震与无线电波透视探测效果较好，探测异常区与实际地质资料高度重合，并对工作面内部可能存在的隐伏地质构造进行了合理的推测，为矿方井下回采工作面的开采提供了较为可靠的物探及地质技术资料。
本次探测效果说明了槽波地震与无线电波透视综合勘探技术在巨厚煤层、大面宽采煤工作面地质构造探测中具有良好的应用效果，也说明了我公司KDZ31114矿用分布式地震勘探仪系列设备及软件和YDT88(A)矿用无线电波透视仪系列设备和软件在槽波数据采集、数据处理以及无线电波数据采集和数据处理方面的技术可靠性，足见其性能优越。