煤礦生產中槽波反射法勘探的應用
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摘要：槽波是煤層中傳播的導波，槽波勘探技術是地震勘探技術的一個范疇，它是將地震勘探技術應用于煤礦井下的礦井物探新技術，槽波勘探技術將地震儀直接安放在煤礦回風順槽和運輸順槽的巷道中，在煤層中激發(fā)和接收地震波來研究煤層中的地質構造問題。槽波勘探技術具有信號能量強、信噪比高、探測距離長、分辨率和精度高等優(yōu)點，在煤礦隱蔽致災因素探測方面正發(fā)揮越來越重要作用，結合工程案例說明槽波反射法探測斷層的應用效果。
關鍵詞：槽波；反射法；斷層
1地質概況
山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤礦開采二疊系山西組2號煤層。煤層厚度1.4~1.5m，有1~2層夾矸。在掘進運輸大巷、軌道大巷、回風大巷過程中揭露斷層F39、F35和F34。見圖1。F39斷層落差8.2m，傾角35°，F(xiàn)35斷層落差9.6m，傾角45°，F(xiàn)34斷層落差10m，傾角35°。該三個斷層的揭露，給煤礦生產安排帶來很大的困擾，甚至不知道工作面巷道如何布置。礦方為了查清楚F39、F35和F34斷層走向和延伸情況，為工作面巷道設計布置提供地質技術支撐，于是礦方委托本單位實施了本次槽波反射法勘探工程。
2槽波反射法勘探原理
與光波在光纖中傳播類似，槽波在煤層中的傳播具有很好的穿透性。當工作面內煤層巖性單一、穩(wěn)定時，槽波能夠穿透大部分工作面范圍，能量衰減緩慢。當槽波在傳播過程中遇到斷層、陷落柱、采空區(qū)等異常地質構造時，槽波能量會發(fā)生改變。就斷層而言，當斷層斷距小于煤層厚度時，煤層沒有被完全斷開，槽波部分能量能穿過煤層。若斷層斷距大于煤層厚度，煤層被完全斷開，則槽波無法穿透到達另一盤，而被斷層反射回來。安裝在炮點同一側的檢波器就接收到反射槽波信號。就該項目來說，我們在回風順槽中激發(fā)的槽波在煤層中傳播過程中，如果存在斷層，槽波能量被斷層反射回來，安裝在回風順槽中的檢波器就接收到了反射槽波信號。我們分析接收到的反射槽波信號，就可解決煤層中的斷層問題。
3槽波反射法勘探工程設計及觀測系統(tǒng)
礦井物探的工程施工離不開井下巷道，該礦首采工作面回風順槽已經掘進500多米，我們利用首采工作面510m回風順槽設計了槽波巷道側幫反射法勘探工程。以回風順槽起點為原點，以回風順槽的延伸方向為X軸正向，建立了槽波數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)。見圖2。觀測系統(tǒng)沿回風順槽布設檢波器51道，編號為R1~R51,道間距10m，布設炮點25炮，編號為S1~S25，炮間距20m，測線長度510m。18個槽波數(shù)據(jù)采集站下井采集數(shù)據(jù)，每個采集站3道，其中一個采集站是放炮記錄采集站。
4工程施工
數(shù)據(jù)采集采用中煤科工集團西安研究院有限公司自主研究開發(fā)的節(jié)點式槽波地震儀（YTZ-3），采樣間隔0.25ms，記錄長度2s。炮孔深度為2.5m，方向垂直于煤壁，炸藥采用礦用乳化炸藥，藥量為200g，雷管采用瞬發(fā)雷管，每個激發(fā)點放炮，所布設檢波器接收點均接收。施工過程中，首先按設計在巷道中標記好炮點、檢波器點位置，數(shù)據(jù)采集前打好炮孔。按炮點、檢波點標記位置布設儀器和檢波器。檢波器安裝在煤層的錨桿上，檢波器之間用測線連接，并連接到數(shù)據(jù)采集站。打開數(shù)據(jù)采集站電源，數(shù)據(jù)采集站處于待機狀態(tài)，當設置的采集時間到后，數(shù)據(jù)采集站自動轉為數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)并自動保存數(shù)據(jù)。測線布置完成后，由具有井下放炮資質的爆破人員負責裝炮，裝炮時，用炮竿將炸藥送到孔底，并用炮泥封堵0.5m以上，確保放炮時不被沖出，能量向煤層中傳播。放炮采用逐一放炮形式，所有檢波器都接收。待所有激發(fā)點放炮完畢，回收全部設備并清點整理后帶上地面，結束井下數(shù)據(jù)采集工作。本次槽波反射法勘探共采集有效數(shù)據(jù)24炮，檢波器布設51道，測線長度共計510m。采樣間隔0.25ms，記錄長度2s，從采集數(shù)據(jù)來看，原始數(shù)據(jù)質量較好。見圖3。
5槽波數(shù)據(jù)處理及取得成果
槽波數(shù)據(jù)處理采用中煤科工集團西安研究院有限公司自主研究開發(fā)的槽波數(shù)據(jù)處理專用軟件GeoCoal軟件。通過對采集數(shù)據(jù)的波場分析、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)處理以及水平疊加偏移成像，將成像結果結合礦區(qū)采掘平面圖進行地質解釋，見圖4。本案例最終解釋三條斷層分別命名為CH-F1、CH-F2和CH-F3，見圖4槽波地質解釋圖。由于三條大巷揭露斷層F39、F35和F34，位置相近，傾向基本一致，斷層落差相近，故推斷是一條斷層在三條大巷的揭露表現(xiàn)。而槽波解釋斷層CH-F1就在該斷層的延伸線上，故CH-F1解釋為揭露斷層F39、F35和F34的延伸，走向基本平行于回風順槽走向，即北偏東15°方向左右，推斷斷層落差8~10m，煤層被完全斷開，傾向35°~45°。離回風順槽距離25~35m不等。CH-F2斷層和回風順槽揭露的斷層的延伸基本吻合，結合采掘揭露信息，槽波解釋推斷斷層落差1.3m左右，傾角30°左右，走向北偏西11°左右。槽波的地質解釋得到了揭露斷層的驗證。CH-F3斷層推斷為大斷層CH-F1旁由于構造應力牽引作用形成的小斷層。
6結論
該工程案例槽波勘探取得了較好的效果，勘探成果為礦方下一步巷道設計提供了科學依據(jù)，通過對該礦槽波工程實例分析，得出以下結論：（1）槽波反射法勘探是將震源激發(fā)點和檢波器接收點布置在同一巷道內，探測巷道側幫一定區(qū)域內地質構造，這在煤礦生產中具有很強的實用性。（2）只要觀測系統(tǒng)設計合理，數(shù)據(jù)采集技術參數(shù)正確，槽波反射法勘探不需要雙巷道的形成，利用單巷道采用槽波反射法探測采煤區(qū)隱蔽地質構造方面具有一定的優(yōu)勢，地質效果良好。（3）展望未來，槽波反射法勘探在煤礦生產中的應用會越來越廣泛。
參考文獻：
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[3]姚姚.地震波場與地震勘探[M].北京:地質出版社,2006.
作者：王會林 趙護林 單位：山西省煤炭地質144勘查院
