乔瑶峰

(郑煤集团 白坪煤业公司，河南 登封 452470)

白坪煤业公司煤厚变化较大，是制约生产的主要地质致灾因素，以往采用了诸多物探方法，受各种条件制约，均不能有效查明煤层厚度变化情况。为此，白坪煤业公司地测科技术人员经过系统分析、充分论证，采用槽波地震探测技术来查明煤矿21071工作面内煤层厚度变化情况，为工作面顺利回采提供地质依据。

1 工作面概况

21071工作面位于矿井西北部，北邻箕F87305∠60°H=0～30 m正断层，走向长度约760 m，倾向宽度约185 m，开采二1煤层，受箕F87断层的影响，该工作面为一不规则的多边形。受豫西滑动构造影响，煤层厚度变化剧烈，据运输巷实际揭露，煤层厚度最薄处为0.5 m，最厚处为9.2 m。煤层底板产状为320°～345°∠8°～20°。

2 工作面地球物理特征分析

21071工作面煤层与围岩的物性(密度、速度)具有一定的差异，故煤层与围岩的波阻抗有一定差异。煤层与围岩间的界面能够呈现为地震波反射面，有利于槽波在煤层中传播，且工作面宽度在槽波可传播的最大距离之内[1-5]，这也保证了槽波能量衰减较小。

3 工程布置及施工方法

为了查明21071工作面内煤厚变化情况，在充分研究相关地质资料的基础上，根据工作面巷道的实际情况，测线沿21071工作面联巷、运输巷、切眼、回风巷布置。采用全排列采集方案最大限度地接收有效数据，有针对性地布设炮点和检波点[6]，检波点每10 m布设1个，炮点每20 m布设1个。具体布置情况见表1。

表1 21071工作面槽波探测测点布置Tab.1 Survey point layout of groove wave detection in 21071 working face

在实际施工中，检波器对接到巷道锚杆露头上，与锚杆耦合良好；炮孔深2.5 m，方向垂直于煤壁，药量0.3 kg。检波器和炮孔高度距巷道底板约1.5 m。每个激发点放炮，所有的接收点均能接收。数据采集的采样间隔为0.25 ms，记录长度2 s。

4 槽波数据处理

4.1 波场类型和速度分析

以21071工作面S37炮为例进行初步分析(图1)，S37单炮记录中显示3组波，最先到达的是来自围岩的折射纵波，随后是来自围岩的折射横波，最后到达的能量团是槽波[7-10]。由于槽波较强，折射纵波和横波反应较弱。实际采集数据中包含较高的噪声，经频谱分析，噪声成分主要分布在90 Hz以下。为了压制围岩折射纵波、折射横波，提高槽波的信噪比，对该工作面采集的槽波数据进行了带通滤波，可以明显看到滤波处理后槽波能量变强，波形特征明显(图2)。利用滤波后的数据可以进行CT成像[10-17]等处理作业。

图1 S37炮滤波前数据Fig.1 Data before filtering of S37 gun

图2 S37炮滤波后数据Fig.2 Filtered data of S37 gun

4.2 频散分析

槽波是典型的频散波，即槽波的速度随频率的改变而变化，通过软件计算出的Love型槽波的频散特征[2，18]如图3所示。从图3中可看出，煤厚4.5 m的埃里相在110 Hz附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。实际数据中包含各种频率的噪声，但其噪声成分主要分布在0～90 Hz，对此次数据处理影响不大。

图3 21071工作面Love型槽波频散特征Fig.3 Dispersion characteristics of Love in-seam waves on working face 21071

4.3 透射槽波成像

21071工作面S37炮激发的单炮记录如图4所示。其中，S37炮记录中左侧槽波能量较强，右侧槽波能量较弱，尤其是在R164附近槽波能量突然变弱，说明S37激发的槽波在向R164及更大号的接收点传播时，在射线路径上遇到了异常地质体阻挡或者煤层结构发生变化，从而造成能量较小，为典型的槽波能量异常，有疑似断层发育。

图4 21071工作面S37炮记录槽波数据异常对比Fig.4 Abnormal comparison of groove wave data recorded by S37 gun in 21071 working face

4.4 成像结果的分析与解释

21071工作面采集的资料中槽波数据质量优良，说明在该矿的地质条件下，槽波是发育的。在回风巷R164—R190和运输巷R74—R84，透射槽波能量较弱，说明在槽波的传播路径上遇到了遮挡，使得透射槽波的能量降低[18]。尤其是在R164—R177，槽波穿透性很差，衰减严重，说明此段区域内异常发育，存在剧烈的煤厚变化或其他地质异常。

结合单炮数据对成像结果中的各个异常区域进行分析，第114—164道槽波能量较强，其余区域能量较弱。R114道、R164道与S95炮形成的射线在成像图中的对应位置如图5所示，图5中深黑色线条为透射槽波的时距曲线[19]。

图5 S95炮反射槽波记录Fig.5 In-seam wave recording of S95 gun reflection

单炮记录上，R114—R163槽波能量较强，说明槽波在这2条射线之间透射穿过工作面时，未遇较强异常构造的阻挡。因此，在这2条射线之间的区域内应不存在较大的异常构造。以R164为界，槽波能量差异很大，在向R164及更大号的接收点传播时，槽波能量很弱，说明槽波在传播过程中遇较强异常构造的阻挡。

4.5 综合地质解释成果

此次21071工作面槽波探测共解释二1煤煤层变薄区3个和1个落差2.4 m的正断层，分述如下。

(1)1号变薄区。位于工作面内靠近回风巷、距离联巷约230 m，根据反演结果，该煤层变薄区内，煤层厚度小于2 m。该异常在CACT成像中反映非常明显。

(2)2号变薄区。位于导线点下19和导线点上17之间，且向运输巷延伸，根据反演结果，该煤层变薄区内，煤层厚度小于2 m。该异常在CACT成像中反映非常明显。

(3)3号变薄区。位于工作面内靠近运输巷、距离切巷约160 m，根据反演结果，该煤层变薄区内，煤层厚度小于2 m。该异常在CACT成像中反映非常明显。

(4)4号异常构造点。位于工作面内靠近运输巷、距离切巷约257 m，根据反演结果，该异常构造区内槽波异常阻挡明显，煤层厚度突变，煤层底板落差约2.4 m。该异常在CACT成像[19-20](图6)中反映非常明显。

图6 21071工作面CACT成像结果Fig.6 CACT imaging results of the 21071 working face

5 应用效果评价

依据探测分析，查清了工作面煤层赋存变化规律和地质构造发育情况，优化了构造探测及瓦斯治理钻孔设计，实现了构造发育区、瓦斯富积区超前治理，薄、厚煤区分区治理；加快了地质灾害和瓦斯治理进度，降低了瓦斯治理对生产的影响。减少构造探测和瓦斯钻孔治理工程12 000 m，直接经济效益约252.7万元。

6 结论

通过槽波探测试验，对白坪煤业公司地质致灾因素与煤厚赋存变化等规律进行了初步研究，为解决矿井后期在复杂地质条件下开采、实现地质灾害超前治理提供了新的解决问题思路和工程实例。同时，评价了槽波探测技术在白坪井田的适用性，具有较强的指导作用和可观的经济效益、社会效益。