范國(guó)鋒 韓志遠(yuǎn) 劉曉龍

（山西煤炭運(yùn)銷忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 概況

1.1 構(gòu)造概況

泰山隆安煤業(yè)構(gòu)造形態(tài)總體為近南北走向、向西緩傾的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上伴有小型褶曲。地層平緩，地層傾角2°～8°。井田內(nèi)目前共發(fā)現(xiàn)斷層104 條，均為采掘揭露，其中大于5 m 斷層僅1條（編號(hào)F102 斷層，落差5.9 m），其余均小于5 m；另發(fā)現(xiàn)有小型褶曲2 個(gè)。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

該次物探試驗(yàn)區(qū)為11305 工作面距大巷300 m段。11305 工作面北為11#煤西翼集中回風(fēng)下山，南為原廢棄民采平硐采空區(qū)，東為11301 工作面采空區(qū)，西為實(shí)體煤，上覆為原金義煤礦與原晉豫煤礦舊小窯采空區(qū)。試驗(yàn)區(qū)已形成回采工作面，11305進(jìn)風(fēng)順槽、11305 回風(fēng)順槽為工作面兩側(cè)巷道，屬本次勘探可利用巷道。

根據(jù)鄰近11#煤西翼集中回風(fēng)下山及11301 工作面實(shí)際揭露的其他斷層分析推測(cè)，該工作面采掘區(qū)域內(nèi)受斷層影響較頻繁，加之，該礦井田處于鄂爾多斯聚煤盆地東部邊緣地段，斷裂構(gòu)造發(fā)育。

2 測(cè)試技術(shù)與方法

2.1 槽波地震法

根據(jù)聲波的傳播特性，地震波在煤層中的傳播速度相比于在非煤巖石的傳播更慢。而當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诿簩雍晚數(shù)装彘g相互傳播時(shí)，由煤層向頂?shù)装鍌鞑サ牡卣鸩ㄖ械囊徊糠謺?huì)被反射回煤層并在煤層中疊加，形成一個(gè)較強(qiáng)的干涉擾動(dòng)，即槽波。通常采用在一條巷道內(nèi)放炮，在另一條巷道或同一條巷道，或在工作面中接收地震波信號(hào)完成槽波地震法[1]。

槽波在煤層中傳播，一部分可以經(jīng)過(guò)反射，另一部分將直接透射出煤層。因此，可以選擇接收并檢測(cè)透射波或者反射波。透射法即將震源和檢波器布置在該工作面的兩個(gè)不同的巷道內(nèi)，檢波器主要接收煤層透射的地震波信號(hào)。反射法則是將震源與檢波器布置在同側(cè)，檢波器主要接收煤層反射的地震波信號(hào)。

為探究最佳施工間距參數(shù)，設(shè)置3 組不同間距下的施工方案，分別為20 m 炮間距和10 m 道間距、10 m 炮間距和5 m 道間距、10 m 炮間距和10 m 道間距，具體施工方法為：

1）施工采集數(shù)據(jù)方法。每個(gè)炮點(diǎn)放炮，兩個(gè)順槽所布設(shè)接收點(diǎn)均接收，直至所有炮點(diǎn)施工放炮完成。

2）檢波器和炮點(diǎn)施工要求。針對(duì)巷道內(nèi)部揭露情況和煤層的變化趨勢(shì)，在實(shí)際施工中要求將鋼釬打入煤巖中，將檢波器安裝在鋼釬上，保證檢波器、鋼釬及煤巖耦合良好，并盡量布置于煤層中間位置。炮眼打孔位置距巷道底板約1 m，務(wù)必確認(rèn)炮孔終點(diǎn)在煤層中，正向裝藥，炮泥填充＞0.5 m。

3）儀器及環(huán)境噪聲。完成儀器檢測(cè)，確認(rèn)地震采集系統(tǒng)正常，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明顯噪聲源。

不同間距的槽波地震法的測(cè)試結(jié)果如圖1。

圖1 槽波地震法地質(zhì)測(cè)試成像圖

透射槽波的處理是基于透射槽波埃里相的振幅屬性的CT 成像法，不同觀測(cè)系統(tǒng)下的透射槽波CT成像結(jié)果見(jiàn)圖1。槽波能量CT 成像結(jié)果為2D 視衰減系數(shù)模型圖（包含介質(zhì)吸收作用和地質(zhì)構(gòu)造等引起的散射作用造成的衰減），所以衰減系數(shù)越大，在CT 成像圖上表現(xiàn)為顏色越淺，說(shuō)明在煤層中該區(qū)域附近存在使地震波能量減弱因素；反之，衰減系數(shù)越小，CT 成像圖中顏色顯示越深，即煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，地震波在傳播過(guò)程中能量衰減相對(duì)較小。

圖1（a）中采用20 m 炮間距和10 m 道間距時(shí)，間距過(guò)大，數(shù)據(jù)量不足，導(dǎo)致成果分辨率不足。圖1（b）中采用10 m 炮間距和10 m 道間距時(shí)，成像結(jié)果仍較清晰，與圖1（a）相比異常區(qū)細(xì)節(jié)仍較豐富，總體分辨率與采用5 m 道間距時(shí)無(wú)太大差異，仍可滿足探測(cè)需要。圖1（c）中采用10 m 炮間距和5 m 道間距時(shí)，成像結(jié)果清晰，異常區(qū)細(xì)節(jié)豐富，分辨率最高。根據(jù)淺色區(qū)域所示，槽波地震法基本探明了多處試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的已揭露或隱伏構(gòu)造，預(yù)測(cè)的構(gòu)造位置、延展方向等與實(shí)際情況基本吻合。

綜合考慮探測(cè)效果和施工成本，確定透射槽波施工時(shí)最佳參數(shù)應(yīng)為10 m 炮間距、10 m 道間距。

2.2 無(wú)線電波透視法

煤層中含有介質(zhì)存在電性差異，而當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)，受到介質(zhì)影響，電磁波會(huì)被吸收或屏蔽。通過(guò)向煤體中發(fā)射不同頻率的電磁波，分析電磁波接收信號(hào)的差異性，即透視異常，可以了解煤層內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況[2-3]。

根據(jù)發(fā)射端和接收端的移動(dòng)方式和相對(duì)位置不同，有同步法和定點(diǎn)法。同步法是在不同的巷道中分別布置發(fā)射端和接收端，使二者保持相對(duì)靜止運(yùn)動(dòng)，在每一個(gè)點(diǎn)位分別探測(cè)。定點(diǎn)法則是固定發(fā)射點(diǎn)位，在每一個(gè)接收點(diǎn)位上逐點(diǎn)接收信號(hào)。在11305 工作面兩順槽各300 m 范圍內(nèi)，布置發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)，發(fā)射點(diǎn)距25 m，接收點(diǎn)距5 m。

采用88 kHz、158 kHz 頻率依次分別進(jìn)行探測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 無(wú)線電波透視法地質(zhì)探測(cè)成像圖

初步試驗(yàn)得知88 kHz 可探測(cè)工作面，后續(xù)數(shù)據(jù)處理中可使用88 kHz 頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)比分析結(jié)果。經(jīng)過(guò)與巷道揭露斷層位置對(duì)比可知，異常區(qū)域與巷道揭露斷層區(qū)域較吻合。綜合分析，可依據(jù)本次無(wú)線電波透視成果異常區(qū)推斷此區(qū)域斷層較發(fā)育，但斷層在工作面內(nèi)的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

無(wú)線電波透視法88 kHz、158 kHz 共發(fā)現(xiàn)兩處基本重合的地質(zhì)異常，且異常有巷道揭露。異常呈區(qū)域狀，范圍較大。經(jīng)對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

1）88 kHz 成果圖中異常區(qū)分布細(xì)節(jié)更加清晰，探測(cè)精度更高。

2）158 kHz 成果圖中，異常區(qū)邊界可追蹤性差，僅能反映出整體的低值或高值區(qū)域，細(xì)節(jié)無(wú)法分辨；但其整體場(chǎng)強(qiáng)值更高，代表采用該頻率開(kāi)展無(wú)線電波透視探測(cè)時(shí)將有更大的探測(cè)范圍。

3）二者探測(cè)結(jié)果整體上吻合程度較高，可相互驗(yàn)證，以提高探測(cè)的可靠程度。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地層中不同介質(zhì)的介電常數(shù)各不相同，當(dāng)電磁波在地層中傳播時(shí)，不同的介質(zhì)根據(jù)介電常數(shù)會(huì)相應(yīng)發(fā)生反射、透射和折射。經(jīng)過(guò)折射的電磁波會(huì)被地面天線接收，剩下的電磁波會(huì)繼續(xù)向下傳播，直到被更深處介質(zhì)折射而后被地面天線接收，或是在地層中傳播直至能量耗盡。通過(guò)分析接收電磁波的振幅，相位、時(shí)間等信息，可呈現(xiàn)出地層的雷達(dá)波圖像，再經(jīng)過(guò)后處理，可以獲得地質(zhì)體的位置、形態(tài)等信息。在11305 工作面試驗(yàn)段一個(gè)順槽300 m范圍內(nèi)布置地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，地質(zhì)測(cè)試結(jié)果如圖3。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)法地質(zhì)測(cè)試成像圖

圖3 中橫坐標(biāo)表示采區(qū)走向長(zhǎng)度，左側(cè)縱坐標(biāo)表示雷達(dá)信號(hào)傳播的時(shí)間序列，右側(cè)縱坐標(biāo)表示可探測(cè)的底板深度。在154～184 m 段范圍有較強(qiáng)的反射波同相軸，可推斷此范圍內(nèi)煤巖裂隙較發(fā)育。本次地質(zhì)雷達(dá)的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，探測(cè)距離太短，因此無(wú)法探測(cè)煤層中的斷層等地質(zhì)構(gòu)造的分布情況。

3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

1）槽波地震法基本探明了多處試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的已揭露或隱伏構(gòu)造，預(yù)測(cè)的構(gòu)造位置、延展方向等與實(shí)際情況基本吻合。

在本區(qū)域采用槽波地震法探測(cè)時(shí)的最佳參數(shù)為10 m 炮間距、10 m 道間距。采用上述參數(shù)時(shí)，該方法在本區(qū)域有較好適用性，穿透力強(qiáng)、探測(cè)準(zhǔn)確率高、分辨率高。

2）無(wú)線電波透視法僅在預(yù)測(cè)區(qū)靠近大巷段有較明顯的反應(yīng)，遠(yuǎn)大巷段的幾處斷層未有反應(yīng)，且探測(cè)的異常呈區(qū)域狀，斷層在工作面內(nèi)的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

在本區(qū)域采用無(wú)線電波透視法探測(cè)時(shí)的最佳參數(shù)為發(fā)射頻率為58 kHz 和188 kHz，發(fā)射點(diǎn)距25 m，接收點(diǎn)距5 m。采用上述參數(shù)時(shí)，無(wú)線電波透視法能獲取到綜合場(chǎng)強(qiáng)值較大、場(chǎng)強(qiáng)變化層次清晰、分辨能力相對(duì)較高的探測(cè)成果，但無(wú)法準(zhǔn)確判斷斷層的走向、落差。

3）本次地質(zhì)雷達(dá)的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，探測(cè)距離太短，無(wú)法滿足探測(cè)煤層中的斷層等地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)要求。經(jīng)過(guò)本次地質(zhì)雷達(dá)法試驗(yàn)，可知地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)距離短，不適用于井下回采工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的探測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）槽波地震法的施工參數(shù)應(yīng)為10 m 炮間距、10 m 道間距。探明了多處試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的已揭露或隱伏構(gòu)造，預(yù)測(cè)的構(gòu)造位置、延展方向等與實(shí)際情況基本吻合。

2）無(wú)線電波透視法的施工參數(shù)應(yīng)為發(fā)射頻率為58 kHz 和188 kHz，發(fā)射點(diǎn)距25 m，接收點(diǎn)距5 m。測(cè)試結(jié)果可推斷測(cè)試區(qū)域斷層較發(fā)育，但斷層在工作面內(nèi)的延展情況、斷層落差大小很難判斷。

3）地質(zhì)雷達(dá)的有效反射波同相軸最大深度約7.2 m，測(cè)試中受井下干擾較大，實(shí)際探測(cè)距離短，無(wú)法滿足探測(cè)工作面內(nèi)斷層等地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)要求。