張東營，楊 培，王圣龍

（1.義馬煤業(yè)集團股份有限公司，河南 義馬472300；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

在煤礦生產過程中，煤層厚度變化會嚴重影響煤礦采掘部署、生產計劃，造成掘進煤層厚度缺失、變薄等變化時，會造成局部不可采的面積損失，采煤含矸率增高，煤質下降，因此對煤層厚度的變化規(guī)律進行準確的探測預判，將極大地提高煤礦的回采工作效率，煤層厚度的精確探測是影響煤礦的安全開采的重要因素之一，對于煤礦的采掘工作至關重要。為了更好地服務于安全生產，須準確提供煤厚差異信息，針對煤厚探測現(xiàn)有的主要物探方法有無線電波透視法、地震法、雷達探測法，但礦井雷達屬于高頻電磁波，探測距離有限，無法滿足探測需求[1]。無線電透視技術探測距離遠，雖然可以大致圈出煤厚變化區(qū)域，但是由于電磁波的反射和折射，薄煤區(qū)的探測范圍精度不到50%，難以圈定具體的薄煤區(qū)范圍，難以滿足回采工作的實際需求。

Evison 于1955 年在新西蘭首次于煤層中激發(fā)和記錄到了槽波[2-4]。煤炭科學研究總院西安分院引進了SEAMEX 85 地震槽波儀及專用軟件ISS[5]，在全國各大礦區(qū)廣泛開展試驗與方法研究，在陷落柱、斷層、采空區(qū)等地質構造方面取得了一些有價值的科研成果[6]。義馬煤業(yè)集團于2009 年從德國DMT 公司首家引進了當時世界上最為先進的SUMMIT-ⅡEX 槽波地震儀，并將其應用到義馬煤業(yè)集團下屬礦井，取得了一定的探測成果[7-9]。但是國內煤礦井下地質條件復雜，施工技術難度大，難以取得對煤礦地質構造體的高精度探測和定量解釋。義馬煤業(yè)有限公司根據該礦區(qū)特殊的極不穩(wěn)定煤層，設計出一套針對極不穩(wěn)定煤層具體施工、數(shù)據處理及成果解釋的方法[10-15]，提出了利用槽波透射法探測煤層厚度的精細探測技術，經反復驗證，取得了非常好的探測效果，為極不穩(wěn)定煤層薄煤區(qū)的精確圈定提供了解決辦法。

1 基本原理

1.1 Love槽波基本原理

煤層相對于巖層具有密度小，地震波傳播速度低的特點，煤層與頂?shù)装鍘r層之前形成一個較強的波阻抗分界面，地震波在煤層中激發(fā)并傳播，除部分向三維空間輻射外，其余能量在煤巖界面多次全反射被禁錮在煤層之中，在煤槽中相互疊加、相互干涉，形成槽波。煤層穩(wěn)定性、煤層結構、地質構造決定了槽波形成的質量。槽波具有頻散現(xiàn)象，頻散特征中含有大量的煤層和煤巖分界面的構造、速度和頻率等相關信息。穩(wěn)定煤層或者較穩(wěn)定煤層槽波能量強，頻散效應明顯，不穩(wěn)定煤層或者極不穩(wěn)定煤層，槽波主頻向高頻或者低頻移動，能量較弱，槽波信息難以提取識別。當煤層結構含有較多夾矸或者含有地質構造，會破壞煤層的連續(xù)性，槽波能量迅速衰減，導致頻散曲線不連續(xù)，接收不到穩(wěn)定的槽波信號。

1.2 數(shù)據采集及處理

槽波透射法數(shù)據采集模式是在工作面的運輸巷道和回風巷道分別布置檢波點和炮點，利用炮點激發(fā)地震波，另外1 條巷道通過檢波點接收地震波，如果測區(qū)的地質條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定，采用較大的道間距。如果測區(qū)的地質條件復雜，煤層賦存不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定，則采用較小的道間距。增加采集數(shù)據的覆蓋密度，提高探測精度，槽波透射法觀測系統(tǒng)如圖1。

圖1 工作面槽波勘探觀測系統(tǒng)Fig.1 Slot wave observation and observation system in working face

現(xiàn)在井下槽波常用的數(shù)據處理軟件有美國SPW，德國的ISS 等。以美國的SPW 為例，利用透射槽波的速度、能量及頻率等參數(shù)來反映煤層中的斷層、陷落柱、采空區(qū)和煤層厚度及其變化等地質信息。通過SPW 軟件對槽波速度參數(shù)的提取，結合使用TomCat、Surfer 等軟件完成對槽波速度的層析成像。

1.3 頻散分析

Love 型槽波在煤巖模型中的傳播的頻散方程如下：

式中：υ1、υ2為頂?shù)装濉⒚簩拥腟 波速度，m/s；μ1、μ2為頂?shù)装?、煤層的剪切模量，MPa；ω 為角頻率，rad/s；cL為Love 型槽波的相速度；n 為振型階數(shù)；d 為煤層厚度的一半，m。

設置3 層模型頂板為細砂巖，底板為砂質泥巖，煤層為無煙煤。選擇理論狀態(tài)測試出的巖層及煤層的密度及S 波速度。分別選取煤厚為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m 的煤層，對稱3 層模型地層參數(shù)見表1。

表1 對稱3 層模型地層參數(shù)Table 1 Stratigraphic parameters of the symmetrical three-story model

對該地層參數(shù)數(shù)據解析計算出3 層模型中不同煤厚對應的基階振型槽波頻散曲線，Love 槽波頻散曲線與煤層厚度的關系如圖2。

圖2 Love 槽波頻散曲線與煤層厚度的關系Fig.2 Relationship between the dispersion curves of Love groove wave and coal seam thickness

研究表明：煤層厚度的變化會引起槽波頻散特征的變化，煤層厚度越大，槽波主頻向低頻方向移動，在同一頻率下槽波波速較低。在選定同一頻率時，煤層厚度和波速呈負相關關系。該模型中選定槽波頻率為185 Hz，1.5 m 煤厚的槽波波速為1 350 m/s，頻散曲線斜率最大，可以非常直觀的與1、2 m煤厚區(qū)分開，因此波速（1 350 m/s）作為1.5 m 煤厚在185 Hz 頻率下對應的特征波速。

通過對特征波速值圈定的等值線區(qū)域實現(xiàn)對應的煤層厚度的定量探測。槽波主頻-煤厚-波速的對應關系作為槽波透射法探測薄煤區(qū)的理論依據。

2 工程實例

2.1 地質概況

義馬煤業(yè)鐵生溝煤礦位于偃龍煤田東端，地處河南省鞏義市境內。礦區(qū)地質條件復雜，煤層傾角大，賦存條件差，煤層賦存不穩(wěn)定至極不穩(wěn)定，煤厚變化大導致生產極為低效，嚴重制約煤礦的正常生產。槽波地震探測的測區(qū)位于鐵生溝煤礦12090 工作面，工作面走向長度為460 m，傾向長度為150 m。工作面頂板為細砂巖層，底板為砂質泥巖層，煤層成粉狀，局部含夾矸，根據工作面掘進過程中收集到的煤層揭露資料，煤層厚度最小低至0.2 m，最大處達到7.8 m，平均煤厚2.2 m，變異系數(shù)達到了73%，賦存極不穩(wěn)定。

該工作面煤層厚度小于1.5 m 的薄煤區(qū)是影響工作面回采效率的主要影響因素，前期由于工作面煤厚分布情況不明，導致先期回采部分多次盲目改造，因此需要探查清楚薄煤區(qū)分布情況。為摸清工作面薄煤區(qū)的分布情況，采用槽波透射法對工作面內部進行覆蓋探測。

2.2 槽波透射法觀測系統(tǒng)

為查明鐵生溝煤礦12090 工作面煤層厚度變化情況，圈定1.5 m 厚薄煤區(qū)具體分布范圍，采用德國產SUMMIT II Ex 型槽波地震儀對12090 采煤工作面采用透射法進行槽波地震勘探，炮孔安裝在工作面回風巷；檢波器孔安裝在工作面運輸巷，工作面地質條件復雜，煤層賦存條件較差，為保證探測精度，采用非均勻間距布置炮點及檢波器點，針對探測目標區(qū)域布置密度較大。為避免破碎的頂?shù)装鍖φ鹪串a生干擾，特設計炮孔深度為6 m，使震源在實煤體內激發(fā)。槽波勘探參數(shù)見表2。

表2 槽波勘探參數(shù)Table 2 Slot wave exploration parameters

2.3 層析成像

12090 工作面槽波勘探實驗檢波點G2、G3、G7、G10、G12 因煤層過薄或位于巷道頂部，未能安裝；G24、G29 因檢波器孔塌孔也未能安裝，從原始數(shù)據來看，本次勘探采集的地震數(shù)據槽波信號微弱、埃里相缺失，質量整體較差，S23 炮點槽波記錄如圖3。

圖3 S23 炮點槽波記錄Fig.3 S23 shot of groove wave record

經處理之后部分數(shù)據仍可辨識到低頻的頻散曲線，S23-G19 槽波頻散曲線如圖4。

根據單煤層條件下Love 型槽波頻散曲線與煤厚變化關系，1.5 m 煤厚槽波特征波速為1 350 m/s，拾取頻率為185 Hz，在測區(qū)范圍內圈出的1 350 m/s特征波速等值線區(qū)共3 處，12090 工作面槽波速度分布圖如圖5。

圖4 S23-G19 槽波頻散曲線Fig.4 S23-G19 slot wave dispersion curve

圖5 12090 工作面槽波速度分布圖Fig.5 Slot wave velocity distribution of 12090 working face

2.4 驗 證

根據槽波速度與煤厚的對應關系，將槽波波速v=1 350 m/s 作為1.5 m 煤厚等值線，在測區(qū)范圍內共圈出煤厚小于1.5 m 的薄煤區(qū)3 處，12090 工作面槽波預測煤厚與實際揭露對照如圖6。

1）E1 薄煤區(qū)位于回風巷切眼口向內176 m 和切眼回風巷口向下86 m 范圍，對正?；夭纱嬖谟绊憽?/p>

2）E2 薄煤區(qū)在運輸巷切眼口向外136～175 m范圍，其向工作面內部延伸約70 m，對正?；夭纱嬖谟绊?。

3）E3 薄煤區(qū)在運輸巷切眼口向外205～245 m范圍，位于工作面內部，呈封閉環(huán)狀在掘進過程中一直未揭露，對回采影響很大。

經工作面已回采范圍的煤厚資料與槽波透射法勘探資料驗證，在工作面開始回采前，該礦根據槽波勘探成果提前對E2 薄煤區(qū)進行了改造。從改造巷揭露煤厚資料看，E2 薄煤區(qū)實際位置與范圍與槽波預測成果基本一致；2017 年10 月工作面回采完畢，統(tǒng)計回采過程實際揭露的煤厚資料并將其與槽波預測煤厚進行對比，150 個實測煤厚點123 個符合槽波勘探預測，預測準確率達82%。

圖6 12090 工作面槽波預測煤厚與實際揭露對照Fig.6 Comparison of predicted coal thickness and actual exposure of groove wave at 12090 working face

在義馬煤業(yè)下屬新安煤礦、云頂煤礦等工作面應用此技術進行槽波透射法探測工作面煤厚，針對其他煤層厚度，也取得了80%以上的探測范圍的準確度。

3 結 論

1）通過槽波透射法在義馬礦區(qū)極不穩(wěn)定煤層探測薄煤區(qū)實驗，較為準確地圈出1.5 m 煤厚的范圍，槽波探測準確率達到80%。說明槽波透射法可以準確地探測極不穩(wěn)定煤層薄煤區(qū)的數(shù)量及分布范圍。

2)針對不穩(wěn)定煤層或極不穩(wěn)定煤層，槽波透射法觀測系統(tǒng)布置采用非均勻間距布置，對探測目標時盡可能地以較小的間距布置炮點和檢波點和盡可能多的地震道數(shù)，提高射線覆蓋密度，以便多次疊加提高信噪比。