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中国矿井物探网 - 物探技术 - 槽波透视勘探技术在淮北某矿8102里工作面隐伏地质构造探查工程中的应用
槽波透视勘探技术在淮北某矿8102里工作面隐伏地质构造探查工程中的应用
0 前言
随着我国煤炭资源逐步趋于深部开采与综采机械化程度的不断提升，井工煤矿回采工作面构造发育程度愈发复杂，同时引发的安全和生产技术问题也越来越明显，造成上述问题的构造主要有断层、褶皱、岩浆岩侵入带、空区空巷、陷落柱、古河床冲刷带等。槽波地震勘探技术经过长期发展与完善，在探测回采工作面构造发育、煤层厚度变化、夹矸分布形态等方面取得了十分可靠的效果，是一种回采工作面隐伏地质构造精细探查的有效方法。淮北某矿8102里工作面位于构造发育集中地段，为保证工作面顺利回采，根据《煤矿安全规程》，淮北某矿决定对该工作面进行槽波透视探测。受淮北某矿委托，福州华虹智能科技股份有限公司承担该工作面的槽波探测任务。
1 工程概况
1.1 工作面概况
8102里工作面位于一采区里，该工作面煤层赋存稳定，结构简单。根据三维地震勘探资料及周围已回采工作面实际揭露资料，预计影响8102里工作面在掘进施工的断层共计有8条，其中可能影响机巷的断层有PF29、DF5、PF9及8103风巷揭露的310°∠70°H=1.2m、240°∠58°H=1.0m断层，共计5条；可能影响风巷的有F50-1、PF9、PF29、DF5、F50断层，共计5条。其中落差在0～5m范围内的3条，落差在5～10m范围内的3条,10m以上的有2条。分布在工作面周边的F50、F50-1断层及面内的PF29、DF5断层，受三维地震精度限制，在平面位置和空间展布上可能存在偏差，因此在掘进施工过程中的揭露位置有可能存在较大偏差，一些落差2m左右的断层很难查明，因此不排除施工时揭露小构造的可能性。
1.2 地球物理特征
本次探测工作所在的8102里工作面煤层结构较为简单。工作面内煤层与围岩砂岩的物性(密度、速度)差异较大，故煤层与围岩的波阻抗差异较明显。煤层与围岩间的界面，呈现为良好的地震波反射面，有利于槽波在煤层中传播。
1.3 地质任务
为了查明煤矿8102里工作面内地质异常体发育情况，为工作面回采提供地质保障，根据井下工作面采掘工程揭露资料和合同要求，确定8102里工作面槽波探测的地质任务如下：
1)查明工作面内落差大于2m的断层的发育情况；2)探查煤层厚度的变化趋势；3)探查其他地质异常情况。
2 槽波地震勘探技术原理与方法
槽波是一种频散波，它是在一定的围岩、煤层物性组合下产生的。在煤系中，煤层与围岩相比具有速
度低、密度小的特点。在地质剖面中，顶底板岩层上下界面构成了高波阻抗界面，煤层是一个典型的低速夹层，因此，在物理上构成一个“波导”。当煤层中激发的体波(包括纵波与横波)的部分能量由于顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石中(简称煤槽)，不向围岩辐射，在煤层中相互叠加、相长干涉，形成一个强的干涉扰动，此即为槽波(如图1)。
图1 槽波形成示意图
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。根据勘探目的与布置方式不同，槽波勘探方法分为透射法槽波勘探和反射法槽波勘探。透视法是槽波地震法中最基本、最常用、最可靠、最重要的方法，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)。拉夫型槽波具有明显的频散特性，且频散特性与煤层厚度关系密切，煤层厚度越大，槽波的埃里相越明显，埃里相频率越低，埃里相速度越高(如图3)。
图2 槽波透射法勘探示意图
图3基阶勒夫波频散曲线图
3 施工布置及设备简介
3.1 观测系统布置
结合探测任务并充分研究了8102里工作面相关地质资料，本次槽波地震采用“完全透视观测系统”，即在机巷放炮风巷接收，交换位置后在风巷放炮机巷接收。共布置炮点61个，炮点间距15m左右，炮孔深度1.5～2m，炸药量300g，采用正向装药、同一批次一段顺发雷管激发。共布置检波点84个，道间距10m左右，耦合方式采用传感器通过自制转接装置连接到锚杆上。详见表1炮点接收点参数表。
表1 炮点接收点参数表
现场施工布置如图4示，射线分布见图5，叠加次数见图6。
图4 8102里工作面槽波地震观测系统布置图
图5 8102里工作面槽波地震透视射线分面图
图6 8102里工作面槽波地震射线叠加次数图
3.2 仪器设备
本次8102里工作面槽波勘探设备为福州华虹制造的“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。
KDZ3114-Z-A KDZ3114-Z-B HDQS-100
图7 KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图
4 槽波地震数据处理
数据处理采用福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的KDZ3114解析系统，主体流程包括数据导出与加载→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→P波反演等，最终得到槽波衰减系数、P波速度、频散系数等结果图。
图8 第30炮(机发风收)原始单炮记录
图9 第30炮(机发风收)槽波提取后单炮记录
图10 8102里工作面槽波频散曲线图
图11 第38炮P波初至时间拾取图
5槽波处理成果及综合地质解析
槽波探测中对巷道已揭露断层需进一步确定断层在面内的延展走向和延展长度，并评价其回采的影响程度。结合巷道实测地质剖面，根据槽波能量衰减和P波速度成像，本次针对性解释了落差大于2m，共解释断层3条，其中修正原有断层1条，新解释面内隐伏断层2条；为了方便资料使用，巷道揭露断层仍保留原名，新解释断层命名为CF1、CF2。
表3 8102里工作面槽波井下勘探异常解析表
断层编号 位置 巷道揭露情况 槽波探测情况
DF5 风巷F14与F15之间，与F15相距10m左右；机巷J3与J4之间，与J4相距22m左右。 风巷和机巷均有揭露，在机巷产状要素为DF5 265°∠70°H=2m，风巷产状要素为DF5 212°∠70°H=1.5m。 从槽波能量衰减系数分布来看，高衰减异常为条带状分布，并与巷道揭露点贯通，显示出该断层在面内延展长度为223m，沟通了风巷和机巷。详见附图。
CF1 DF5异常区北东方向。 未揭露。 DF5异常区北东方向发育有分支条带状高衰减异常区，将其解释为DF的分支断层，命名为CF1，断层产状要素：CF1:333∠50°～70°H=0～2.0m，面内延展长度38m，详见附图。
CF2 机巷J6与J74之间，与J6相距18m左右。 机巷揭露，产状255°∠50°H=1.5m、255°∠60°H=1.5m。 条带状高衰减异常区，认为该异常为Ⅰ02F4的另一条分支断层，与机巷揭露断层Ⅰ02F12、Ⅰ02F12贯通。命名为CF2，推断产状要素为：CF2:250∠50°～70°H=1.5～5.0m，延展长度261m，详见附图。
其它断层 机巷、风巷、切眼均存在。 不同部位具有不同程度揭露。 从8102槽波能量衰减成果图分析，落差小于1.5m断层在工作面内延展长度均有限，但机巷与切眼交界处断层Ⅰ02F10、Ⅰ02F9、Ⅰ02F8位置集中，切割煤层，使得该处槽波衰减明显，详见附图。
6 结论与建议
6.1 结论
1)8102里工作面槽波探查共解释断层3条(落差大于2.0m)，其中修正原有断层1条，新解释面内隐伏断层2条；分析了各断层的产状要素和面内延展长度；评价了各断层对工作面回采的影响程度；
2）利用频散系数成像并以巷道实测煤厚为约束对工作面82煤层厚度分成进行了定性预测。并认为构造发育复杂是控制本工作面煤层厚度变化的主要地质因素；
3)工作面面内未发现其它地质异常体。
6.2问题与建议
1)8102工作面构造复杂，煤层夹矸较厚，边界断层构造发育落差较大，影响了槽波的发育、传播和接收，槽波波场复杂，对成像精度和准确性产生影响。
2）建议在该工作面回采过程加强地质编录和槽波成果验证工作，我方将根据验证情况及时提供二次处理分析服务，以提高槽波资料的利用率，充分发挥本项目的经济和安全效益。
附表1：8102里工作面断层控制程度评价一览表
附图1：煤矿8102里工作面槽波衰减系数成像图
附图2：煤矿8102里工作面透视P波速度成像图
附图3：煤矿8102里工作面槽波频散系数成像图
附图4：煤矿8102里工作面槽波构造解释图
附图5：煤矿8102里工作面煤层等厚度图
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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添加日期：2017-1-19 浏览次数：3834
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