瓦斯是煤矿第一杀手，瓦斯事故极易造成重大人员伤亡和财产损失，而瓦斯富集区(带)则是瓦斯事故的高发区域。为了厘定瓦斯富集区(带)的地球物理标志、规律与煤层厚度变化、构造、地应力集中等地质异常事件之间的关系，本文以河南省新安煤田为例，采用地震槽波透射法进行探查，在采煤工作面一条煤巷内侧煤壁布置炮孔形成激发地震槽波波场的震源，在另一条煤巷内侧煤壁布置检波器接收地震槽波信息和采集数据，依次激发，同步接收。通过地震槽波速度层析成像求得采煤工作面槽波速度场分布图，然后预测瓦斯富集区(带)，再通过与钻孔实测瓦斯含量进行对比分析做效果检验。实验结果初步证明：利用地震槽波速度场可以有效预测采煤工作面瓦斯富集区(带)，能够科学指导矿井瓦斯灾害防治。 Gas is the first killer of coalmines, and the gas accidents easily cause heavy casualties and property losses. Gas accumulation area (zone) is the high incidence area of gas accidents. In order to determine the relationship between the rules of gas accumulation area (zone) and geological anomalies such as thickness change, structure and stress concentration of coal seam, the paper takes Xin’an coalfield as an example. The ISS (in-seam Seismic Survey) transmission method was adopted for exploration, the shot holes were arranged in the inside coal wall of one way of the coal mining face to form the seismic source of the seismic wave field; in another way, the detectors were arranged to receive the seismic channel wave information and collect the data, and the excitation in sequence and reception were synchronized. The velocity field distribution of the channel wave in the mining face was drawn by the velocity tomography, and then the gas accumulation areas (zones) were predicted, and last the effects were tested by comparative analysis between the predictions and the drill-measured gas content. The experimental results preliminarily prove that the velocity field of seismic channel wave can be used to predict the gas accumulation areas (zones) of coal face, and scientifically guide the prevention and control of mine gas disasters.
——以新安煤田煤与瓦斯突出矿井采煤工作面为例
滕吉文1,2,3，李松营4*，贾明魁5，廉洁4，刘国栋6，冯磊7，姚小帅4，闫亚芬1，金明方4
1中国科学院地质与地球物理研究所，北京
2吉林大学，吉林 长春
3中国科学院大学，北京
4义马煤业集团股份有限公司地质研究所，河南 义马
5河南能源化工集团有限公司研究总院，河南 郑州
6中国地震局地质研究所，北京
7河南理工大学资源环境学院，河南 焦作
收稿日期：2019年1月29日；录用日期：2019年2月13日；发布日期：2019年2月21日
瓦斯是煤矿第一杀手，瓦斯事故极易造成重大人员伤亡和财产损失，而瓦斯富集区(带)则是瓦斯事故的高发区域。为了厘定瓦斯富集区(带)的地球物理标志、规律与煤层厚度变化、构造、地应力集中等地质异常事件之间的关系，本文以河南省新安煤田为例，采用地震槽波透射法进行探查，在采煤工作面一条煤巷内侧煤壁布置炮孔形成激发地震槽波波场的震源，在另一条煤巷内侧煤壁布置检波器接收地震槽波信息和采集数据，依次激发，同步接收。通过地震槽波速度层析成像求得采煤工作面槽波速度场分布图，然后预测瓦斯富集区(带)，再通过与钻孔实测瓦斯含量进行对比分析做效果检验。实验结果初步证明：利用地震槽波速度场可以有效预测采煤工作面瓦斯富集区(带)，能够科学指导矿井瓦斯灾害防治。
关键词 :地震槽波，速度场，采煤工作面，瓦斯富集区(带)，层析成像
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瓦斯属煤矿五大自然灾害之一，也是煤矿第一大杀手，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸及其诱发的煤尘爆炸等事件极易造成群死群伤 [
利用物探技术探查瓦斯富集区，前人曾做过不少研究和探索。利用三维地震勘探以煤层割理裂隙为探测目标的煤层瓦斯富集AVO预测技术在淮南煤田初步表明了其可行性，在其他地区也曾有过相关研究或实践 [
槽波是一种只在煤层中传播的特殊地震波，1955年，由Evison在新西兰发现 [
煤层瓦斯赋存状况与整个成煤过程及其赋存过程等密切相关。其主要影响因素包括煤的沉积环境、煤岩组分、煤在湿度和压力条件下的变质程度、煤层厚度及其变化、煤层埋藏情况、地质构造、地应力、顶底板岩性及其水文地质特征、以及岩浆岩侵入等 [
1) 煤层厚度剧烈变化带多为瓦斯富集区。煤层厚度剧烈变化，包括煤层厚度突然由厚变薄或由薄变厚，乃是地应力异常或高应力区，易形成瓦斯富集。历史上，新安煤田曾发生过14次煤与瓦斯突出或瓦斯异常涌出事件，其中9次都发生在煤层厚度突然增大或减小的地域 [
2) “煤窝子”多为瓦斯富集区。受沉积基底和后期构造运动及改造的双重作用，新安煤田煤层底板起伏不平，煤层厚度变化大，大部分区域属于不稳定煤层或极不稳定煤层，甚至为“鸡窝煤”。在“煤窝子”的区域，即中间煤层厚、周围煤层薄的区域，瓦斯富集。
3) 断层带或隐伏构造变异带多为瓦斯富集区。新安煤田处于新安向斜北翼，整体属于单斜构造，褶曲并不明显，但中、小型断层与底板隐伏构造发育。新安煤田开采二1煤，其直接底板为泥岩，顶板为泥岩、砂岩互层，不易形成开放型构造，故不利于瓦斯逸散。断层带或隐伏构造带，既造成煤层厚度异常变化，也常为地应力集中区段，易形成“瓦斯包”，多为瓦斯富集区。
基于Rayleigh型槽波和Love型槽波中Rayleigh型槽波形成的地质条件苛刻，处理难度亦较大；而Love型槽波对煤层厚度变化十分敏感，具有更强的反射和绕射能量 [
Love型槽波具有显著的频散特征(图1)，且煤层厚度不同，槽波频散曲线各异。随着煤层厚度的减小，Love型槽波主频段向高频方向移动；同一频率下的波速也增加，即槽波速度与煤层厚度呈负相关，煤层厚的地方波速低，煤层薄的地方波速高 [
图1. Love型槽波频散曲线
根据槽波速度等值线图与煤层厚度等值线图的相关性发现；煤层厚度剧烈变化带，在槽波速度等值线图上反映为等值线密集区段，即高梯度变化带；“煤窝子”，则反映为中间速度低、周边速度高的封闭或近封闭区域；断层带或隐伏构造带或煤层厚度异常变化，故在槽波速度等值线图上为高梯度变化带或为高速区。
利用地震纵波探测采煤工作面内部地应力分布是一项成熟技术，纵波速度场变化反映地应力大小变化，高地应力区一般显示为纵波速度等值线图上高速区。在相同地质岩性条件下，地震槽波速度与纵波速度呈正相关，故高地应力区在槽波速度等值线图上亦呈现高速区。由于煤层厚度剧烈变化也会造成地应力集中，故高地应力区在槽波速度等值线图上亦可显示为高梯度带或高低速相间分布区域。
新安煤田瓦斯富集区主要分布在煤层厚度剧烈变化带、“煤窝子”、断层带或隐伏构造带以及高地应力区段等，即这些异常区域在地震槽波等值线图上分别显示为等值线密集分布、或封闭、近封闭的低速区、高速区及高低速相间分布区等。采煤工作面瓦斯富集区在地震槽波速度场上的响应特征为：
1) 槽波速度等值线图上高梯度带多为瓦斯富集区。
2) 槽波速度等值线图上中间速度低、周边速度高的封闭或近封闭区块变多为瓦斯富集区。
3) 槽波速度等值线图上高低速相间分布地带多为瓦斯富集区。
采煤工作面瓦斯富集区探测实验所使用仪器为德国DMT公司生产的SUMMIT-ⅡEX防爆地震槽波探测仪。
采煤工作面瓦斯富集区探测实验采用透射法，利用采煤工作面的一条巷道布置一系列炮点，使用0延迟雷管或延迟时间相同的一段雷管，依次放炮作为震源，激发地震波；在另外一条巷道安装一系列检波器，同时接收地震波信号。如果切眼(联结采煤工作面两条进、回风巷，用于布置采煤设备的巷道)已贯通，也可以在切眼中布置一定数量的炮点或检波器点。为了产生并接收到高分辨率的槽波信息，应尽可能将炸药和检波器放在垂直于煤层的中间位置，用炮泥或水把炮孔封死，通过充气使检波器囊与煤层孔壁紧密耦合。
使用美国Parallel Geoscience Corporation的专用解译软件SPW。对井下场地所采集数据进行格式转化、加载观测系统、雷管延迟时间校正等预处理，然后进行滤波、自动增益控制、早晚弱音、频散分析等以形成频散曲线，再选定适宜频率，拾取旅行时，最后反演完成CT层析成像，给出地震槽波速度等值线图。
根据采煤工作面瓦斯富集区的地震槽波速度场与其主要响应特征，则可以预测并识别所探查采煤工作面的瓦斯富集区(高瓦斯风险区)。
新安煤田瓦斯富集区地震槽波探测与数据采集。新安煤田地处豫西，跨新安、孟津两县，面积超过700 km2，煤炭资源量30亿t以上，是河南省的主要煤田之一。主采二叠系山西组二1煤，煤层厚度0 m~29.99 m，平均4.0 m。直接顶板多为大占砂岩，直接底板为泥岩。煤田内中小型断层较多，底板隐伏构造发育，且全煤田发育构造煤。现该煤田有5对生产矿井，均为煤与瓦斯突出矿井，合计生产能力约600万t/a。
首先利用透射法对采煤工作面进行地震槽波勘探，利用求得的槽波速度等值线图进行预测并识别瓦斯富集区；再使用钻探手段，布置一定数量深浅不一的钻孔测试瓦斯含量，勾画工作面瓦斯含量等值线图，确定实际的瓦斯富集区；最后，通过采煤工作面瓦斯富集区的槽波波场特征与实际测试结果进行对比分析，以厘定地震槽波探测采煤工作面瓦斯富集区的可靠性。本项研究已开展采煤工作面瓦斯富集区探测实验6例，这里选择其中2例给予阐明。
新义矿11021工作面为俯采工作面，倾向长度693 m，走向长度124 m，可采储量53万t，平均开采深度660 m。测区位于工作面里段410 m (图2)。测区煤厚1.8 m~8.8 m，平均4.7 m，煤层倾角约7˚，部分区段含有夹矸石。煤层直接顶板为砂质泥岩；直接底板为粉砂岩。
在11021工作面轨道巷布置25个炮孔作为激发震源，间距15 m，乳化炸药200 g/炮，矿用1段延迟毫秒雷管引爆；在皮带巷布置23个检波器孔，间距15 m，且以平行于煤层的X向和Y向双分量检器接收槽波信息(图2)。对575道槽波记录辨识分析后，筛选出槽波震相清晰、频散曲线连续的地震道328道。选取125 Hz频率计算槽波群速度，并进行层析成像构制槽波速度场分布(图3)。
图2. 11021工作面(里段)槽波观测系统布置图
根据巷道已揭露的地质信息与瓦斯富集区的地震槽波速度场响应特征，综合分析槽波速度场，预测11021采煤工作面里段存在3处疑似瓦斯富集区，其编号分别为1#、2#、3# (图3)。分析如下：
图3. 11021工作面(里段)槽波速度成像图
1) 1#疑似瓦斯富集区：位于高速区与低速区相间区段，宽度20 m~30 m，表明煤厚剧烈变化，预测为瓦斯富集区。
2) 2#疑似瓦斯富集区：明显的高速区，可能是薄煤区或高应力区。新义煤矿的薄煤区主要由古河流冲刷或构造剥蚀导致，且多呈条带状分布。为此基本上可以排除由薄煤区即高速区引起，更可能为高地应力区，故将其预测为可能性较大的瓦斯富集区。
3) 3#疑似瓦斯富集区：为四周高速区包围的低速区块，也是厚煤条带，预测为瓦斯富集区。考虑到巷道对煤层瓦斯自然释放等作用，预测3#疑似瓦斯富集区面积向工作面内部有所收缩。
通过打钻，采用解析法直接测定煤层瓦斯含量。工作面构成后，在测区共施工钻孔测试点42个(图4)。利用井下和实验室的实测数据计算，求得该测区瓦斯含量为3.0 m3/t~6.9 m3/t。统计瓦斯含量测点并绘制出瓦斯含量等值线图，由此识别出3处瓦斯富集区(图5)。
图4. 11021工作面(里段)瓦斯含量测点分布
图5. 11021工作面(里段)瓦斯含量成像图
图中3处瓦斯富集区与预测的3处瓦斯富集区在位置、范围大体一致，仅有少许差异。
义安矿11061工作面走向长度1090 m、倾向宽度135 m，可采储量107万t，平均开采深度616 m。测区位于工作面外段420 m，煤层厚度0.4 m~8 m，平均4.5 m；煤层倾角约5˚，结构简单。煤层直接顶板为砂质泥岩和中粒石英砂岩。直接底板为粉砂岩或细砂岩。
在11061工作面轨道巷布置34个炮孔作为激发震源，间距10 m，乳化炸药200 g/炮，矿用1段延迟毫秒雷管引爆；在皮带巷布置22个检波器孔，间距20 m，且以平行于煤层的X向和Y向双分量检器接收槽波信息。对748道槽波记录辨识分析后，筛选出槽波震相清晰、频散曲线连续的地震道546道。选取125 Hz频率做为槽波群速度依据，并进行层析成像确定槽波速度场分布(图6)。
根据巷道已揭露的地质信息与瓦斯富集区的地震槽波速度场响应特征，综合分析槽波速度场后，预测有2处小范围疑似瓦斯富集区(图6)。测区槽波速度场在整体上显示为：两侧为低速区、中间区段为高速区，与巷道揭露的两侧厚、中间薄的煤层厚度变化情况相一致。2处疑似瓦斯富集区均为波速从高速向低速急剧变化的区段，也是煤厚剧烈变化的地带。考虑到巷道对煤层瓦斯自然释放作用等，预测的瓦斯富集条带向工作面内部有所收缩。
图6. 11061工作面(外段)槽波速度成像图
工作面确定后，分别沿工作面两条巷道每间隔50 m布置1个瓦斯含量测试点，两侧钻孔交错分布，孔深40 m~60 m，共施工测量点19个。利用井下和实验室的实测数据计算结果：测区瓦斯含量为3.0 m3/t~7.7 m3/t。利用19个测点的瓦斯含量绘制出测区瓦斯含量分布图(图7)。
图7. 11061工作面(外段)瓦斯含量等值线图
实测的1处瓦斯富集区，与预测的1#疑似瓦斯富集区的位置、大小基本一致；另1处预测的瓦斯富集区，可能由于实测钻孔密度不足，在瓦斯含量分布图上没有显示瓦斯含量异常。
1) 利用地震槽波勘探技术可以预测采煤工作面内部瓦斯富集区。在采煤工作面槽波速度成像图上，速度变化梯度大的区段、高低速相间分布的条带、高速包围的低速区块以及非薄煤层区导致的高速区域通常可预测为瓦斯富集区。
2) 采煤工作面瓦斯富集区地震槽波速度场分布特征是基于地震槽波速度场对地质异常体的响应及与地质异常和瓦斯富集区之间密切相关。经过现场实验证实，但例证尚少，尚不足以定论，故仍需要更多的现场实验和数学–物理模拟做进一步研究。
3) 本组实验钻孔距离较大密度偏小，钻孔测量瓦斯含量与地震槽波勘探有一定的时间间隔。为了取得更好的实验效果，今后在开展现场实验时，应增加钻孔密度，且钻孔测量瓦斯含量尽可能与地震槽波勘探同步进行。
国家自然科学基金重点资助项目(41130419)。
滕吉文,李松营,贾明魁,廉 洁,刘国栋,冯 磊,姚小帅,闫亚芬,金明方. 基于地震槽波速度场探测瓦斯富集区的机理与方法探讨——以新安煤田煤与瓦斯突出矿井采煤工作面为例Mechanism & Method of Detecting Gas Concentrated Zone Based on ISS Velocity Field—Examples from Coalfaces of Coal and Gas Outburst Mines in Xin’an Coalfield[J]. 地球科学前沿, 2019, 09(02): 35-43. https://doi.org/10.12677/AG.2019.92005
https://doi.org/10.1190/1.1439258
https://doi.org/10.1016/j.proeps.2011.09.110
https://doi.org/10.1016/j.proeps.2011.09.082
https://doi.org/10.1016/j.proeps.2011.09.087
https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.2007.00604.x