煤矿生产中槽波反射法勘探的应用

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摘要：槽波是煤层中传播的导波，槽波勘探技术是地震勘探技术的一个范畴，它是将地震勘探技术应用于煤矿井下的矿井物探新技术，槽波勘探技术将地震仪直接安放在煤矿回风顺槽和运输顺槽的巷道中，在煤层中激发和接收地震波来研究煤层中的地质构造问题。槽波勘探技术具有信号能量强、信噪比高、探测距离长、分辨率和精度高等优点，在煤矿隐蔽致灾因素探测方面正发挥越来越重要作用，结合工程案例说明槽波反射法探测断层的应用效果。

关键词：槽波；反射法；断层

1地质概况

山西煤炭进出口集团蒲县万家庄煤矿开采二叠系山西组2号煤层。煤层厚度1.4~1.5m，有1~2层夹矸。在掘进运输大巷、轨道大巷、回风大巷过程中揭露断层F39、F35和F34。见图1。F39断层落差8.2m，倾角35°，F35断层落差9.6m，倾角45°，F34断层落差10m，倾角35°。该三个断层的揭露，给煤矿生产安排带来很大的困扰，甚至不知道工作面巷道如何布置。矿方为了查清楚F39、F35和F34断层走向和延伸情况，为工作面巷道设计布置提供地质技术支撑，于是矿方委托本单位实施了本次槽波反射法勘探工程。

2槽波反射法勘探原理

与光波在光纤中传播类似，槽波在煤层中的传播具有很好的穿透性。当工作面内煤层岩性单一、稳定时，槽波能够穿透大部分工作面范围，能量衰减缓慢。当槽波在传播过程中遇到断层、陷落柱、采空区等异常地质构造时，槽波能量会发生改变。就断层而言，当断层断距小于煤层厚度时，煤层没有被完全断开，槽波部分能量能穿过煤层。若断层断距大于煤层厚度，煤层被完全断开，则槽波无法穿透到达另一盘，而被断层反射回来。安装在炮点同一侧的检波器就接收到反射槽波信号。就该项目来说，我们在回风顺槽中激发的槽波在煤层中传播过程中，如果存在断层，槽波能量被断层反射回来，安装在回风顺槽中的检波器就接收到了反射槽波信号。我们分析接收到的反射槽波信号，就可解决煤层中的断层问题。

3槽波反射法勘探工程设计及观测系统

矿井物探的工程施工离不开井下巷道，该矿首采工作面回风顺槽已经掘进500多米，我们利用首采工作面510m回风顺槽设计了槽波巷道侧帮反射法勘探工程。以回风顺槽起点为原点，以回风顺槽的延伸方向为X轴正向，建立了槽波数据采集观测系统。见图2。观测系统沿回风顺槽布设检波器51道，编号为R1~R51,道间距10m，布设炮点25炮，编号为S1~S25，炮间距20m，测线长度510m。18个槽波数据采集站下井采集数据，每个采集站3道，其中一个采集站是放炮记录采集站。

4工程施工

数据采集采用中煤科工集团西安研究院有限公司自主研究开发的节点式槽波地震仪（YTZ-3），采样间隔0.25ms，记录长度2s。炮孔深度为2.5m，方向垂直于煤壁，炸药采用矿用乳化炸药，药量为200g，雷管采用瞬发雷管，每个激发点放炮，所布设检波器接收点均接收。施工过程中，首先按设计在巷道中标记好炮点、检波器点位置，数据采集前打好炮孔。按炮点、检波点标记位置布设仪器和检波器。检波器安装在煤层的锚杆上，检波器之间用测线连接，并连接到数据采集站。打开数据采集站电源，数据采集站处于待机状态，当设置的采集时间到后，数据采集站自动转为数据采集状态，采集数据并自动保存数据。测线布置完成后，由具有井下放炮资质的爆破人员负责装炮，装炮时，用炮竿将炸药送到孔底，并用炮泥封堵0.5m以上，确保放炮时不被冲出，能量向煤层中传播。放炮采用逐一放炮形式，所有检波器都接收。待所有激发点放炮完毕，回收全部设备并清点整理后带上地面，结束井下数据采集工作。本次槽波反射法勘探共采集有效数据24炮，检波器布设51道，测线长度共计510m。采样间隔0.25ms，记录长度2s，从采集数据来看，原始数据质量较好。见图3。

5槽波数据处理及取得成果

槽波数据处理采用中煤科工集团西安研究院有限公司自主研究开发的槽波数据处理专用软件GeoCoal软件。通过对采集数据的波场分析、数据预处理、数据处理以及水平叠加偏移成像，将成像结果结合矿区采掘平面图进行地质解释，见图4。本案例最终解释三条断层分别命名为CH-F1、CH-F2和CH-F3，见图4槽波地质解释图。由于三条大巷揭露断层F39、F35和F34，位置相近，倾向基本一致，断层落差相近，故推断是一条断层在三条大巷的揭露表现。而槽波解释断层CH-F1就在该断层的延伸线上，故CH-F1解释为揭露断层F39、F35和F34的延伸，走向基本平行于回风顺槽走向，即北偏东15°方向左右，推断断层落差8~10m，煤层被完全断开，倾向35°~45°。离回风顺槽距离25~35m不等。CH-F2断层和回风顺槽揭露的断层的延伸基本吻合，结合采掘揭露信息，槽波解释推断断层落差1.3m左右，倾角30°左右，走向北偏西11°左右。槽波的地质解释得到了揭露断层的验证。CH-F3断层推断为大断层CH-F1旁由于构造应力牵引作用形成的小断层。

6结论

该工程案例槽波勘探取得了较好的效果，勘探成果为矿方下一步巷道设计提供了科学依据，通过对该矿槽波工程实例分析，得出以下结论：（1）槽波反射法勘探是将震源激发点和检波器接收点布置在同一巷道内，探测巷道侧帮一定区域内地质构造，这在煤矿生产中具有很强的实用性。（2）只要观测系统设计合理，数据采集技术参数正确，槽波反射法勘探不需要双巷道的形成，利用单巷道采用槽波反射法探测采煤区隐蔽地质构造方面具有一定的优势，地质效果良好。（3）展望未来，槽波反射法勘探在煤矿生产中的应用会越来越广泛。

参考文献：

[1]刘盛东，张平松.地下工程震波探测技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[2]张玉芬.反射波地震勘探原理和资料解释[M].北京:地质出版社,2007.

[3]姚姚.地震波场与地震勘探[M].北京:地质出版社,2006.

作者：王会林 赵护林 单位：山西省煤炭地质144勘查院