基于地震反射波法的巷道空間地質(zhì)異常體超前探測(cè)

方 杰，徐會(huì)軍，孔廣亞

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.中國(guó)神華能源股份有限公司科技發(fā)展部，北京100011)

巷道超前探測(cè)技術(shù)一直是地球物理界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)和難題，其重點(diǎn)是指在觀測(cè)點(diǎn)向前方探測(cè)尚未揭露的地質(zhì)構(gòu)造及其異常［1］。煤炭開(kāi)采中，掘進(jìn)前方事先未預(yù)測(cè)到的隱伏地質(zhì)構(gòu)造會(huì)嚴(yán)重影響巷道全局布置與掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的是巷道前方富含水異常空間和斷層構(gòu)造面位置的探測(cè)，技術(shù)手段通常為瞬變電磁法和地震反射波法。由于巷道內(nèi)存在各種電信號(hào)干擾源，且探測(cè)施工空間有限，瞬變電磁法的優(yōu)勢(shì)得不到發(fā)揮，以致探測(cè)結(jié)果往往難以達(dá)到技術(shù)要求。結(jié)合以往研究資料表明，地震反射波技術(shù)原理成熟，接收的信號(hào)信噪比高，是一種探測(cè)距較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)使用便捷且可靠的物探手段［2－5］。

利用地震反射波探測(cè)前方地質(zhì)異常主要是探測(cè)強(qiáng)波阻抗界面，煤礦中可以在穿層巷道中探測(cè)前方含水灰?guī)r、煤層、巖墻等界面，也可以在順層巷道中探測(cè)前方斷層、尖滅點(diǎn)、構(gòu)造破碎帶、陷落柱等的位置。

1 反射波法超前探測(cè)原理

礦井巷道反射波超前探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用地震波在傳播過(guò)程中遇到煤巖體物性界面會(huì)發(fā)生反射的原理。如圖1所示，該技術(shù)充分利用巷道有限空間，設(shè)計(jì)沿巷道后方布置傳感器、震源來(lái)探測(cè)巷道前方地質(zhì)條件的觀測(cè)系統(tǒng)。一般用錘擊或小藥量爆破作為震源，震源沿巷道左 (右)幫平行底板成直線排列。地震波在煤巖體中以球面波形式傳播遇到煤巖物性界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的地震信號(hào)被地震檢波器接收并形成地震記錄。運(yùn)用地震波動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，分析地震記錄波形特征，以推測(cè)斷層、巖石破碎帶等不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模，并計(jì)算相關(guān)巖石力學(xué)參數(shù)和提取煤巖性界面。

圖1 巷道空間反射波超前探測(cè)原理示意

反射波超前探測(cè)法核心技術(shù)如下:

(1)反射波提取 掘進(jìn)巷道超前探測(cè)關(guān)注的是介質(zhì)的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得巷道前方反射波信息，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要將上下行波分離并保留下行波 (負(fù)視速度)，本質(zhì)上就是壓制來(lái)自測(cè)線垂向上的信息而保留來(lái)自水平方向上的反射信息。采用線性Radon變換技術(shù)進(jìn)行上下行波分離，從而來(lái)提取反射波信息。當(dāng)選擇線性τ－p變換進(jìn)行上下行波分離時(shí)，已經(jīng)假設(shè)介質(zhì)是水平變化的且速度界面和測(cè)線垂直。τ－p變換可以將波場(chǎng)從t－x域轉(zhuǎn)換到τ－p域，波場(chǎng)參量有如下關(guān)系:

式中，t為域中的波旅行時(shí)間;x為炮檢距;p為射線變量;τ為射線變量在時(shí)間軸上的截矩。

τ－p變換正變換是把τ－x域中共炮點(diǎn)記錄或其他記錄按不同的斜率p和截距τ進(jìn)行迭加。正變換過(guò)程為

式中，N為t－x域中地震道數(shù)，按給定的斜率p，沿射線t=τ+pxi迭加記錄的所有道，即形成τ－p域的一個(gè)地震道;按某一斜率范圍，疊加起來(lái)形成τ－p域的一組完整地震道記錄。

經(jīng)轉(zhuǎn)換后各種波的波場(chǎng)特征在τ－p域中發(fā)生分離，以識(shí)別在t－x域中無(wú)法識(shí)別的負(fù)速度場(chǎng)。圖2說(shuō)明了τ－p變換的過(guò)程。

圖2 τ－p變換過(guò)程示意

(2)速度分析 速度分析是地震數(shù)據(jù)處理中很重要的一環(huán)，尤其當(dāng)遇到大傾角地層，斷層發(fā)育帶等復(fù)雜構(gòu)造時(shí)，準(zhǔn)確的偏移速度就成為做好深度偏移的關(guān)鍵。速度分析的作用主要體現(xiàn)在:提供準(zhǔn)確的疊加速度，提高并改善地震數(shù)據(jù)信噪比和多次疊加剖面的質(zhì)量;為偏移疊加及時(shí)深轉(zhuǎn)換提供速度依據(jù)。速度分析的偏差會(huì)給后面的處理帶來(lái)遺傳誤差，因此各向異性介質(zhì)中速度分析的研究顯得越來(lái)越重要。

(3)偏移成像技術(shù) 以射線偏移為基礎(chǔ)、使反射波自動(dòng)歸位到真實(shí)位置上的繞射掃描偏移方法在巷道超前探工程中越來(lái)越實(shí)用?；莞乖碚J(rèn)為地下每一個(gè)反射點(diǎn)p都可以看做是一個(gè)子波震源，把每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)看成是一個(gè)反射點(diǎn)進(jìn)行繞射掃描偏移時(shí)，其繞射波或反射波旅行時(shí)間為:

式中，tij為掃描點(diǎn)p處第i炮第j個(gè)接收點(diǎn)的繞射波旅行時(shí)間，j=1，2，…m，且m為參加疊加的記錄道;v為地震波的速度;h為p點(diǎn)的垂直深度。

圖3為繞射掃描偏移網(wǎng)格，將記錄道上tij時(shí)刻的振幅值aij與p點(diǎn)的振幅值疊加起來(lái)，即為p點(diǎn)的總振幅值A(chǔ)i，則

圖3 繞射掃描偏移網(wǎng)格劃分

計(jì)算x－h(huán)平面上按Δx、Δh劃分的網(wǎng)格上每一點(diǎn)p(x，h)，當(dāng)網(wǎng)格劃分得足夠細(xì)時(shí)，就可以確定反射點(diǎn)的全部可能位置。如此，反射界面上的疊加掃描點(diǎn)p的總振幅Ai更加增大，不在反射界面上的掃描點(diǎn)p的總振幅Ai進(jìn)一步減小，這樣提高了信噪比同時(shí)，又將反射界面自動(dòng)偏移到真實(shí)空間位置上去。處理時(shí)常需控制掃描范圍來(lái)對(duì)每一個(gè)炮檢對(duì)進(jìn)行振幅疊加，以提高運(yùn)算速度［6－8］。

2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)實(shí)例

2.1 工程背景

某礦 (4－5)04工作面井下標(biāo)高700～777m，工作面巷道沿底板掘進(jìn)，4－5煤層穩(wěn)定，厚度5.5～7.1m，頂板為富水性粉細(xì)砂巖，底板多為泥巖、粉砂巖。工作面為單斜構(gòu)造，傾向角度19°，掘進(jìn)期間揭露多條斷層，落差0.9～8.8m。膠帶巷 (下巷)掘進(jìn)至距聯(lián)絡(luò)巷600m位置時(shí)，發(fā)生沖擊事件，沖擊造成迎頭頂板冒落，巷幫炸幫，嚴(yán)重影響掘進(jìn)作業(yè)。針對(duì)該次沖擊顯現(xiàn)情況，結(jié)合已經(jīng)揭露斷層，推測(cè)掘進(jìn)范圍內(nèi)可能有不良構(gòu)造的影響，為探明掘進(jìn)范圍內(nèi)的隱伏構(gòu)造，決定在膠帶巷掘進(jìn)頭開(kāi)展反射波超前探測(cè)，設(shè)計(jì)的探測(cè)范圍見(jiàn)圖4。

圖4 (4－5)04膠帶巷反射波超前探測(cè)位置示意

2.2 方案設(shè)計(jì)

探測(cè)在迎頭有限空間內(nèi)展開(kāi)，采用炸藥震源。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，布置觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，激發(fā)源Si設(shè)置在巷道上幫，設(shè)計(jì)激發(fā)24炮，設(shè)計(jì)炮間距2m，S1靠近迎頭，炮孔深1.5m，孔徑48mm。三分量檢波R1和R2分別布置左后側(cè)，上幫最小炮檢距15m，R2，R1距離 5m，檢波孔深 2m，孔徑65mm。選用礦用乳膠炸藥，每孔藥量100g，采用礦用一段瞬發(fā)雷管引爆。一炮一放，放炮順序?yàn)镾1，S2，…，S24。觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 (4－5)04膠帶巷超前探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.3 數(shù)據(jù)分析及處理

數(shù)據(jù)采集每道采樣點(diǎn)數(shù)2048，采樣間隔0.16ms，系統(tǒng)增益均為24dB。每次激發(fā)有6道同時(shí)接收，設(shè)計(jì)24炮，其中21炮有效，共采集126道數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)波形飽滿、同相軸較連續(xù)、起跳明顯，滿足后期數(shù)據(jù)處理要求。

通過(guò)FFT工具地震波形進(jìn)行頻率域分析。如圖6，可以看出不同分量頻帶分布略有差異，X分量頻帶范圍150～310Hz，主頻為200Hz;Y分量頻帶范圍200～300Hz，主頻為240Hz;Z分量頻率域分布較廣，主頻為300Hz。

圖6 (4－5)04檢波器R2不同分量的頻譜分析

反射波超前探地震數(shù)據(jù)后處理流程包括記錄解編、預(yù)處理、核心處理和結(jié)果解釋4個(gè)步驟。其中核心處理有反射波提取、速度分析和深度偏移3項(xiàng)內(nèi)容。

直達(dá)波時(shí)距曲線是一條經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，但是在采集過(guò)程中，由于雷管延時(shí)或者數(shù)據(jù)采集儀與起爆器的不同步會(huì)造成直達(dá)波時(shí)距曲線不是直線也不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)。需要對(duì)偏離該直線的記錄道進(jìn)行時(shí)差矯正 (即靜校正)。如圖7(a)所示，根據(jù)2號(hào)檢波器X分量獲得探測(cè)區(qū)域擬合縱、橫波速度分別為3.4m/ms和1.9m/ms，利用采樣時(shí)間和直達(dá)波速度可初步確定探測(cè)區(qū)域的速度范圍，同時(shí)利用其作為背景速度進(jìn)行深度偏移。

基于在時(shí)距關(guān)系上巷道迎頭前方反射界面與迎頭后方及巷道側(cè)向反射界面呈現(xiàn)不同的視速度規(guī)律，利用τ－p變換濾波、F－K濾波方法提取出巷道前方界面反射波，與此同時(shí)，聲波、面波等干擾波也得到了壓制。圖7(b)為反射波提取圖。深度偏移處理為后處理的核心內(nèi)容，在給定速度模型的條件下，將來(lái)自前方介質(zhì)的反射能量偏移歸位至真實(shí)空間點(diǎn)上。

圖7 檢波器R2的X分量直達(dá)波波速求取及反射波提取

2.4 成果解釋

根據(jù)地震勘探信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)，煤巖體介質(zhì)波阻抗差異決定地震波反射效率，波阻抗差異越大，反射回來(lái)的地震信號(hào)越強(qiáng)，表現(xiàn)在偏移后的波形亮點(diǎn)顏色越深，反射界面也就越明顯。煤礦中的波阻抗界面主要有斷層、破碎帶和陷落柱等。斷層面完整平滑，地震波經(jīng)過(guò)時(shí)超前半個(gè)相位后反射回來(lái)，但整體上波形特征未發(fā)生變化，偏移后仍能保持波峰波谷的特征。地震波傳播遇到不完整且粗糙的煤巖破碎帶或陷落柱時(shí)，反射波易相互干擾，反射回來(lái)的信號(hào)不能保證其完整的波形特征，偏移后表現(xiàn)為波形亮點(diǎn)顏色淺，出現(xiàn)單一波峰或單一波谷情況。

圖8為巷道迎頭前方150m范圍內(nèi)X分量偏移成像反射界面提取剖面圖，圖中橫坐標(biāo)表示沿巷道走向迎頭前方距檢波器R1的距離。剖面反映了巷道前方波阻抗差異界面的空間位置關(guān)系，顏色深淺表征反射波能量幅值的大小，根據(jù)能量幅值的不同，提取反射能量較大的界面，超前迎頭150m范圍內(nèi)存在4組較強(qiáng)反射界面，將其各自命名為P1，P2，P3和 P4。

圖8 X分量偏移成像反射界面提取

反射界面P1處在迎頭稍往外位置附近，影響范圍較小，推斷為小范圍的構(gòu)造異常區(qū)，可以作為實(shí)驗(yàn)前發(fā)生的迎頭頂板垮落形成破碎帶的一個(gè)驗(yàn)證。

反射界面P2距離迎頭約30m，疊加波形呈現(xiàn)單一波谷特征，可以推斷此處為影響范圍較小的破碎構(gòu)造異常區(qū)。

反射界面P3距離迎頭約70m，影響范圍超前迎頭65～75m，綜合分析反射能量和影響范圍，推斷其為小斷層或小規(guī)模破碎帶。

反射界面P4距離迎頭約112m，影響范圍為超前迎頭105～120m，該組反射能量弱于反射界面P3，可能由小斷層或者小規(guī)模破碎帶控制。

2.5 探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

(4－5)04膠帶巷恢復(fù)生產(chǎn)后，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行追蹤可知，在距探測(cè)時(shí)迎頭75m處遇見(jiàn)煤巖體破碎帶A，距離迎頭117m時(shí)出現(xiàn)小斷層帶B，這與探測(cè)結(jié)果中的P3破碎帶和P4小斷層破碎帶位置和規(guī)模幾本吻合，如圖9所示。

圖9 掘進(jìn)過(guò)后結(jié)果驗(yàn)證對(duì)比

3 結(jié)論

利用地震反射波超前探測(cè)技術(shù)測(cè)得的反射界面P1，P3和P4位置與事后追蹤掘進(jìn)過(guò)程中揭露的情況基本吻合，并在掘進(jìn)時(shí)及時(shí)做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施后保證了生產(chǎn)正常進(jìn)行，探測(cè)結(jié)果對(duì)巷道安全掘進(jìn)能起到一定的指導(dǎo)作用。但是對(duì)前方隱伏異常體存在范圍或者斷層的落差不能精確定量給出，需要借助鉆探等其他一些勘探手段進(jìn)行綜合判斷。

［1］張平松，劉盛東，吳建生.坑道掘進(jìn)空間反射波超前探測(cè)技術(shù) ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(8):1331－1335.

［2］張平松，吳健生.中國(guó)隧道及井巷地震波法超前探測(cè)技術(shù)研究分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21(10):1033－1038.

［3］張平松，劉盛東，吳健生.隧道及井巷工程超前探測(cè)模擬及其偏移技術(shù)研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S1):2847－2851.

［4］王齊仁，楊天春.隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)的地震反射法［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21(2):643－649.

［5］劉盛東，張平松.地下工程震波探測(cè)技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［6］馮 宏.我國(guó)防止礦井瓦斯事故的地球物理探測(cè)技術(shù)進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20(4):1171－1175.

［7］常 旭，劉伊克，桂志先.反射地震零偏移距逆時(shí)偏移方法用于隧道超前預(yù)報(bào) ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49(5):1482－1488.

［8］沈鴻雁，李慶春，馮 宏.隧道反射地震超前探測(cè)偏移成像［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(3):298－304.

［9］杜立志，殷 琨，牛建軍.Kirchhoff深度偏移在隧道超前預(yù)報(bào)反射波提取中的應(yīng)用［J］.探礦工程－巖土鉆掘工程，2008，3(2):69－74.

［10］黃 偉.鄧世坤.偏移方法用于探地雷達(dá)圖像處理的有效性研究［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2001(4):99－102.