槽波地震勘探与煤田开采中的灾害事件
北京欧华联科技有限责任公司
一、引言
透水、瓦斯突出和冲击地压是我国煤炭开采中三种重大灾害（简称三大灾害）。
多年来虽然国家对煤矿事故的防护与治理投入巨大，但仍有大量事故发生。根据国家安全监管局统计2004-2013年十年间我国煤矿发生透水事故299起，死亡1687人。发生瓦斯突出事故835起，死亡5715人。发生冲击地压事故（包括顶板事故）1742起死亡2345人。上述三大灾害所致财产损失估计数百亿元。可见煤矿透水、瓦斯突出和冲击地压已成为我国煤矿安全生产中的重大灾害事件。在过去数十年中，虽曾试验过多种地球物理方法和手段试图预测这类灾害，但基本上未取得令人满意的结果。据了解国外在预测煤矿三大灾害可能发生的地点方面也无有效的方法和手段。
最近几年我国一些煤业集团和高等院校开展了煤矿井下地震槽波勘探，国家自然科学基金会2012年做为重点项目支持中科院地质与地球物理研究所、义马煤业集团、中国地震局地质研究所等单位开展槽波示范研究，历经三年仅义马煤业集团就在近50个工作面进行了槽波应用方面的各种试验，包括对煤矿重大灾害发生地点的预测，其他有关单位也开展了类似工作，本文仅就这些初步成果加以归纳。
二、有关瓦斯突出
在煤的形成和演化过程中，固相煤因受热发生复杂的物理化学变化同时产生气体，即瓦斯。煤层中瓦斯有80%-90%是吸附瓦斯，10%-20%是游离瓦斯[1]。研究表明，在构造应用作用下，煤的原生结构遭到构造破坏，形成碎裂状、片状、鼻片状、糜棱状等构造煤，将煤体原有的相对封闭的空隙和裂缝联通起来，使吸附瓦斯具有很高的解吸度，变成游离瓦斯[2]。解吸速度与煤层破坏程度相关[3]。如果遭受构造破坏形成的结构是封闭的，被解吸的大量游离瓦斯便赋存其中。这类封闭结构有[4]：
 1、褶皱构造
 紧闭褶皱区往往瓦斯含量较高，因为这类地带受构造作用强烈，应力集中，岩层易皱不易断，封闭性较好，有利于瓦斯聚集和保存，特别是背斜轴部和鼻状构造倾伏端应力集中，瓦斯含量大。
 2、断裂构造
 断裂发育构造复杂地区应力相对集中，特别是压性和压杻性断裂对瓦斯起保留作用。
 3、组合型构造，例如逆断层边界封闭型，构造盖层封闭型，断层块段封闭型。
总之，构造破坏和地质构造类型是主导吸附瓦斯解咐和游离瓦斯分析的主导因素。
义马煤业集团地质研究所在国家自然科学基金“煤炭灾害事件地震槽波波场特征示范研究”的重点项目支持下，利用summitⅱex防爆槽波地震仪在新安煤田的新义矿和义安矿内瓦斯突出的矿井中开展透射槽波勘探，探索和研究瓦斯富集区与槽波速度是否存在相关性。为此将槽波速度分布图和瓦斯含量分布图进行分析和对比，见图1-图5。但需指出槽波速度分布和瓦斯含量分布皆不代表原始煤层的数值，而是煤层瓦斯抽放后同一时期的观测数据。图1-图5中的上图是槽波速度分布，单位m/s，下图是瓦斯含量分布单位m³/t。图中的红色虚线是抽放后的高瓦斯区。
图1 新义12011工作面槽波波速与瓦斯含量对照图
       简评：高瓦斯区位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带。
图2 新义11020工作面槽波波速与瓦斯含量对照图
简评：高瓦斯区位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带，或低速区内（上图右侧）。
图3 新义12041工作面槽波波速与瓦斯含量对照图
        简评：高瓦斯区位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带。
图4 新义11031工作面槽波波速与瓦斯含量对照图
      简评：高瓦斯区位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带。
图5 义安11060工作面槽波波速与瓦斯含量对照图
       简评：高瓦斯区位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带。
义马煤业集团所属煤田，煤厚变化剧烈，在同一工作面内煤厚往往从1.0-8.0m增厚至6.0-8.0m或更厚，所以导致槽波速度变化剧烈。从图1-图5中五个工作面的槽波速度分布与瓦斯含量分布的对比结果可见，虽然各工作面的整体速度分布差异很大，但高瓦斯区都位于速度结构复杂、高速区向低速区过度的地带，仅11020工作面右侧的高瓦斯区位于低速带之内（图2）。我们认为槽波速度结构复杂意味着这里可能遭受过强烈的构造破坏，因此吸附瓦斯大量解咐变为游离瓦斯；高速区是基底凸起、煤厚变薄的地区，低速区是基底凹陷、煤层变厚的地区，高速区向低速区过渡的地带是基底凸起倾状的地带，相当于背斜轴部或鼻状构造倾状端，这里瓦斯含量大，封闭性较好，往往是高瓦斯区。
11020工作面右侧的高瓦斯区与低速区重合（图2），这明显不同于上述情况。低速区一般情况下是煤层变厚区，但如果煤体遭受了强烈的构造破坏，速度也会明显降低，当然低速区也可能两种情况兼有之。根据德国dmt公司mr.volkerschaepe工作结果，墨西哥某煤矿的高瓦斯区对应低速区，张子敏等人也曾论述构造煤发育地段，煤体内裂隙发育，纵波速度、横波速度及槽波速度明显降低[5]。为了判读11020工作面右侧低速区的性质，我们对穿过该低速区槽波射线的频散特征进行分析，为此选择11020工作面轨道顺槽内布置的175、190、205、220、250、265炮点激发，工作面皮带顺槽最右端的400号接收点接收的六条槽波射线的频散曲线进行分析（图6），这六条射线刚好穿过上述低速区（图2）。从图6可见这六条频散曲线很不规则，分布零乱，这是煤体遭受强烈构造破碎的反映。煤体强烈构造破碎导致吸附瓦斯解吸，游离瓦斯赋存其中。
图6 穿过新义11020工作面右侧低速带的频散曲线
三、有关透水事故
预测煤矿透水事故主要是探测储水结构和透水通道。储水结构主要包括底板承压水、采空区积水、含水层积水、断层水等，导水通道包括陷落柱，断层和破碎带等。我国在预测煤矿透水事故方面采取了很多井下地球物理方法，例如井下瞬变电磁法、坑透法、高密度和直流电法等电磁方法。由于水的电阻率远远低于煤及其围岩的电阻率，所以电磁法在探测煤矿储水结构方面具有明显优势，特别是分辨率高、探测距离较大的井下瞬变电磁法和高密度电法。
根据近期所获得的工作结果，井下槽波地震法在探测导水通道，特别是探测陷落柱、断层和破碎带等方面具有极高的可靠性。我们知道如果煤层中的陷落柱与底层的承压水连通，或者与上层的积水层连通，当开采遇到这类陷落柱将会发生严重的透水事故。图7是河北煤炭科学研究院利用summitⅱex井下防爆槽波地震仪对山西省寿阳段王煤业集团有限公司090606工作面进行陷落柱的探测结果。
图7 透射槽波在山西寿阳段煤业集团公司090606工作面探测陷落柱的结果。
在该透射法探测中炮点距10m，位于皮带巷内，接收距10m，位于轨道巷内。图7中速度值大于1500m的似椭圆状高速异常体是陷落柱所在，图中红线是表示已被揭露证实的陷落柱，图中两个大的陷落柱之一已被揭露，另一个正等待揭露。本剖面圈定的陷落柱都是高速异常体，其中堆积的是塌落的高速岩石，是不含水的干陷落柱。如果陷落柱中充满水，可能是似椭圆状的低速异常体。
槽波探测断层和破碎带已有很多应用实例[6]，但是否与储水结构连通形成导水通道还需要结合其它资料加以分析。
在目前已有的槽波探测项目中尚未遇到采空区，所以无法用实例说明槽波法能否探测采空区。但从道理上分析，在透射法中采空区应该是槽波能量耗散区，在反射法中采空区应该出现反射震相或衍射震相。
 四、关于冲击地压
冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面中的煤体或周围岩体中的弹性变形在瞬间释放所产生的剧烈破坏的动力现象。冲击地压常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象，具有很大的破坏性。
冲击地压的成因机制具有多种理论和不同分类[7]，但冲击地压发生的地点都是应力集中和高应力区，当煤岩所承受的应力达到本身极限强度时，一旦再次受到外界很小力的扰动，就瞬间失稳破坏，释放出本身所积聚的极大能量，发生冲击地压[7]。应力集中和高应力区导致煤岩进一步压实，密度增加，槽波速度升高。通过对透射槽波数据的频散分析可以精确地确定煤层的槽波速度值，对直达p到达时的计算可以确定围岩的纵波数据值，因此透射槽波勘探可以圈定应力集中区和高应力区，有助于预测冲击地压可能发生的地点。图8是俄罗斯瓦克捷斯加亚煤矿，透射槽波勘探获得的速度分布图，其中呈东西向展布的高速带正好位于下煤层遗留煤柱的上方，高速带是煤柱引起的压力增高带[9]，也是容易发生冲击地压的地方。
图8 上煤层厚约3m，稳定。在上煤层工作面内进行透射槽波勘探，该图是槽波速度分布，东西向高速带是下煤层遗留的煤柱引起的压力增高带（根据mr.volkerschaepe资料）。
图9  煤层开采引起的应力转移（根据mr.volkerschaepe资料）。
图9是德国某煤矿上煤层开采后在下煤层中引起的压力转移，在下煤层中的透射槽波获得的高速带是应力转移后导致的压力增高带[8]。
晋城矿业集团在成庄矿5308工作面利用summit ⅱex防爆槽波地震仪进行的透射法勘探发现两个局部高速异常区，它们与现场应力观测结果的高应力区一致[9]。
监测冲击地压发生的主要手段是矿（微）震监测。矿震是煤岩破裂产生的微震动，也叫微震，微震有时也是煤岩失稳发生冲击地压的一种征兆。监测微震事件要布置监测台网，监视微震发生的时间、地点、强度、频度、活动序列并计算震源参数，及其释放的能量等[10]。准确的定位矿震的震源位置非常重要，但由于地质构造的复杂性，计算的震源位置往往出现误差，特别是震源深度误差更大，但如果能真实地给出矿震监视区的速度模型，就可以大大提高计算震源位置的精度。由于槽波勘探可以确定煤层结构和速度分布以及围岩的速度值，这对制定速度模型和分析矿震活动与煤层结构的关系很有帮助。
五、关于掘进巷道超前预报
煤矿很多重大灾害事件发生在巷道的掘进过程中，因为掘进巷道的前方是未知的，因此掘进巷道超前预报是一项预防煤矿重大灾害事件的重要举措。
煤矿巷道超前探测的工作方法与岩石隧道超前探测的工作方法基本是一致的，接收单位布置在巷道壁一侧或两侧，激发单位布置在接受单元之前或之后。但数据处理上有一些本质不同，因为在岩石隧道内激发所产生的地震波向全空间传播，当遇到波阻抗界面后反射回来被接收，是三维波场，震相复杂，因此必须做方向滤波，保留来自巷道前方的反射信息，滤除来自其它方向的反射信息，（图10）。
但煤矿的巷道是在煤层中掘进的，激发源和接收单元都位于煤层之内，由于煤层的波速远远低于其顶、底板的波速所以煤层是波导层，在煤层内激发的地震波仅在煤层内传播和反射，震相比较简单（图11）。
图11  煤层是波导层，地震波只在煤层中传播
2015年4月30日中铁第四勘察设计院集团有限公司地质路基设计研究院，义马煤业集团地质研究所和北京欧华联科技有限责任公司在义马所属11160下巷，利用summitⅱex防爆槽波地震仪进行掘进巷道超前探测试验。激发孔选在构造界面与巷道夹角小的一侧洞壁，以1米间隔连续布置24个双分量检波器，后退6米布置激发孔。同侧单炮地震波原始记录如图12所示，可见震相简单，在x分量记录上有4个清晰的反射震相。
图12   同侧地震波原始记录图
中铁第四勘察设计院地质路基设计处根据其自身研发的煤矿超前探测数据处理软件对地震数据进行处理后获得的同侧偏移和反射层提取结果如图13所示。
图13  同侧偏移结果及反射层提取结果
对本次试验的结论是：
通过对地震超前预报成果的综合分析，对4月30日11160下巷槽波超前探，预设激发点为0米里程位置，迎头里程为24m。其前方120米范围的隧道围岩情况预测结果如下：
本次预报共120米，围岩纵波速度2300m/s左右，横波速度1260m/s左右，共发现四组异常段，分别是57.1～59.3段(长2.2米)、70～76段(长6米)、91～93段（长2米）和128～131段(长3米)，其中70～76段速度变化较大且波阻抗能量较强，为主要异常段。推测此段断层裂隙发育带，可能富含水。
参考文献：
1.张新民、张遂安、钟玲文等，中国的煤层甲烷[m],陕西科学出版社，1991，56-80
2.张玉贵、曹运兴、张子敏，2007；构造煤结构与瓦斯突出[j],煤炭学报32（3），281-284
3.魏建平、陈永超、温志辉，2008；构造煤瓦斯解吸规律研究，煤矿安全（2008-08）
4.张子敏主篇，瓦斯地质学，中国矿业大学出版社，2009，119-165
5.张子敏主篇，瓦斯地质学，中国矿业大学出版社，2009，390-395
6.刘国栋，煤矿井下槽波地震勘探，中国地震出版社，2014，751-774
7.煤矿冲击地压基础知识，煤矿安全网，2012.6.9
8.刘国栋，2015；煤矿井下槽波勘探及应用实例（待发表）
9.窦文武、安晋松、卫金善、杨新亮，2015；晋城矿区回采工作面隐状构造精细化探测技术研究（待发表）
10.陆其鹄、李世愚、何淑韵；矿震监测与煤矿灾害预警研究，中国国际出版社，2011

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胡井山
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