槽波地震探测技术在窑街矿区油页岩层构造探测中的应用

杨焱钧

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）

矿井地震类的探测技术有井下二维地震勘探、瑞雷波勘探、槽波地震勘探和微震勘探等多种类型[1]，其中槽波地震勘探方法因其信噪比较高，能够探测1/2 煤厚以上规模的地质构造应用最为广泛[2-4]。槽波地震技术经过煤炭科学总院西安分院、中国矿业大学等多个科研单位和高校的引进、消化、吸收、再创新，已实现槽波地震技术硬件装备与软件配套的自主知识产权国产化，并将该探测技术大范围推广至国内煤矿企业，成为煤矿矿井生产可靠的地质保障技术[5-6]。

因槽波需要在垂向“高速-低速-高速”三明治式的“导槽”中传播，通常情况下煤层为低速层、顶底板为高速层，煤层与其顶底板岩性的物性差异较大、波阻抗明显，“岩-煤-岩”的空间结构利于槽波在煤层中的形成与传播[7]。煤矿矿山通过槽波地震探查断层、陷落柱、薄煤区和采空区边界的应用文章常见诸报道，在非煤领域内槽波地震的应用文献几近为零[8-11]。窑街矿区金河煤矿在主采煤层开采之前需要提前开采上覆的解放层——油页岩层，为探索槽波地震技术在非煤岩层（油页岩层）构造探测中的应用效果提供理想的试验场所。

1 油页岩层槽波地震地质条件

窑街矿区位于甘肃、青海两省交界处的甘肃侧，是区域重要的能源基地。矿区含煤地层窑街群在中生代之前未沉积，是在震旦系之上沉积的侏罗系以上地层，湖相沉积发育，以泥岩、页岩、油页岩、泥灰岩为主体。窑街群“油A 层”属于高油率油页岩，可作为提取液体燃料的良好原料或直接燃烧用，具有显著工业价值。“油A 层”位于主采煤层“煤二层”的顶部，为CO2、CH4等气体在“煤二层”的赋存提供良好的储气条件。为保证“煤二层”安全高效回采，需要在开采“煤二层”之前先期开采“油A 层”，释放CO2、CH4等有害气体。

金河煤矿16119 工作面“油A 层”均厚6.2 m，岩层倾角0～16°，顶底板如图1。油页岩地层层状结构较明显，围岩与油页岩地层之间在垂向上的物性差异较小，油页岩与顶底板岩性间的波阻抗不甚明显，油页岩槽波地震地质条件一般。

图1 金河煤矿16119 工作面综合柱状图

2 工作面概况

金河煤矿16119 工作面回风巷掘进过程中实际揭露断裂构造2 条，分别为F6-7断层和F107-1断层，揭露断层信息详见表1。根据巷道揭露资料分析，预计工作面内小断裂与节理较发育，影响工作面正常回采。超前精准探查断裂构造在工作面内的延展长度与展布特征对16119 工作面合理规划、安全高效回采意义重大。

表1 16119 工作面揭露断层情况表

3 资料采集与处理

1）现场数据采集

采用逐点激发、全排列接收的方法，在16119工作面进风巷、切眼和回风巷圈闭的区域开展槽波地震现场数据采集。检波器按照10 m 等间距布设，进风巷施工检波点63 个、切眼施工检波点12 个、回风巷施工检波点65 个。受巷道条件影响局部位置无法钻进有效炮孔，进风巷实际激发炮点30 个、切眼实际激发炮点2 个、回风巷实际激发炮点31 个，详见图2。探测区域内的槽波射线密度相对均匀，符合探测要求。

图2 金河煤矿16119 工作面工程布置图

2）资料精细处理

由于槽波地震数据采集的空间十分有限，施工场所限制在工作面切眼和两巷之间进行。直达P 波、直达S 波、R 型槽波、L 型槽波等地震波震相十分复杂，多波被同时记录下来，它们相互叠加、干涉，给处理和分析带来困难。针对原始槽波数据进行宽频滤波、几何扩散校正等精细处理方法，压制噪音与干扰，突出有效信号并提取多种可利用信息使得原始槽波数据具有较高的信噪比，并从中提取更为丰富、直观的图像和数据信息，显著改善地质异常推断的结果、提高识别地质异常性质的准确度和空间定位的精准性。图3（a）为原始槽波单炮记录，信噪比较低，P波、S波和槽波相互混杂干涉；图3（b）为精细处理后的槽波单炮记录，信噪比显著提升，P 波、S 波和槽波形态更为清晰。

4 数据分析与成像

通过频谱分析、频散分析、能量分析、极化分析和速度分析，识别和提取地震波的不同震相，特别是槽波的埃里震相成分。金河煤矿16119 工作面油页岩层的槽波埃里相集中在120 Hz 附近，油页岩层的槽波速度为1200 m/s。图4 为编号S26 的槽波单炮记录，明显可见编号R124 至编号R130 道检波器接收的槽波能量衰减甚至缺失，说明编号S26 激发点与编号R124 至编号R130 道检波器之间的射线路径上油页岩层结构产生较大变化，结合巷道揭露情况，判定槽波能量衰减缺失由断层引起的油页岩层结构变化所致。

图4 S26 激发点槽波单炮记录

槽波地震观测系统将16119 工作面内油页岩层划分为面元网格，通过各个面元内的能量衰减量按照射线密度和投影长度被换算成具体的槽波能量衰减系数。各个面元内的槽波能量衰减系数按照空间位置按照暖色表征高衰减量、冷色表征低衰减量的特征投影成像，结合巷道揭露资料可探测工作面内部地质结构变化特征。图5 为16119 工作面槽波能量衰减系数成像图，综合巷道实揭资料与成像成果解释了F107-1断层为逆断层，走向NNE，倾向NWW，落差小于1/2 油页岩层平均厚度，断层在工作面延展长度约48 m，与F6-7断层相交，属于可靠断层；F6-7断层为正断层，走向NWW，倾向SSW，落差大于1/2 油页岩层平均厚度并小于油页岩层平均厚度。断层工作面延展长度约170 m，与F107-1断层相交，属于可靠断层。

图5 工作面槽波能量衰减系数成像图

图6 为A-A'回采切眼巷道素描图，回采资料显示采掘揭露F107-1断层，205°∠73°，落差3～10 m，在工作面内延伸长度52 m，与槽波解释F107-1断层的产状、落差和截割关系基本一致，探测准确度高；采掘揭露F6-7断层，345°∠55°，落差2～4 m，实际揭露断层延展长度182 m，与槽波解释F6-7断层的产状、落差和截割关系基本一致，解释断层长度偏差12 m，探测准确度较高。依据探测成果在工作面回采阶段合理规避断层构造，提高煤矿回采效率，预测的顶底板破岩区域与实际破岩范围基本吻合，为16119 工作面顺利回采发挥积极的指导作用。

图6 A-A'剖面图

5 结语

1）窑街矿区油页岩地层层状结构较明显，围岩与油页岩地层之间在垂向上的物性差异较小，油页岩与顶底板岩性间的波阻抗不甚明显，油页岩的槽波地震地质条件一般。

2）通过几何扩散方法的振幅衰减补偿提升油页岩原始槽波记录的信噪比，所得到的槽波能量衰减系数探测成果经回采验证与实揭资料基本吻合。表明经过精细处理方法，在油页岩层中开展槽波地震探测同样有效。