槽波地震探測(cè)在河?xùn)|煤田應(yīng)用研究

郝立光，張培東，劉召永

（1.山西東江煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西呂梁 033000；2.山西呂梁離石永寧煤業(yè)有限公司，山西呂梁 033000）

山西省在2009年煤炭資源整合以來，多數(shù)小煤礦被兼并重組成中大型礦井。步入綜合機(jī)械化采煤時(shí)代[1]。伴隨安全形勢(shì)、礦井安全生產(chǎn)和機(jī)械化程度的提高，回采工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造引起的回采安全和生產(chǎn)之間的矛盾問題越來越突出。在綜合機(jī)械化回采工作面回采過程中，因不能預(yù)測(cè)到回采工作面內(nèi)包含的隱伏地質(zhì)構(gòu)造位置，常常造成工作面減產(chǎn)、停產(chǎn)嚴(yán)重者還能造成安全事故。而要查明煤體內(nèi)的異常體，需選用一種能夠準(zhǔn)確判斷異常體位置的技術(shù)。槽波探測(cè)是20世紀(jì)80年代引入我國煤炭領(lǐng)域的一種地質(zhì)探測(cè)技術(shù)。槽波探測(cè)具有傳播距離遠(yuǎn)、能量強(qiáng)、精度高、抗電干擾能力強(qiáng)、波形易于辨認(rèn)、頻散特征明顯、能夠快速準(zhǔn)確判斷煤體異常體等特點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)煤礦工程實(shí)踐過程中，通常應(yīng)用槽波探測(cè)判斷工作面煤體內(nèi)的異常體來解決安全生產(chǎn)問題[2-4]。

研究區(qū)山西河?xùn)|煤田呂梁某煤礦位于華北地臺(tái)鄂爾多斯盆地東部邊緣，總體構(gòu)造形態(tài)為一走向近南北，傾向西單斜，地層產(chǎn)狀較為平緩，傾角一般在5°～10°。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷層、陷落柱、溶洞、黃泥淋頭水等地質(zhì)構(gòu)造在礦井回采過程中經(jīng)常揭露。工作面走向長度3200m，傾向長度160m。為確保該回采工作面的順利回采及今后工作面高效安全生產(chǎn)，結(jié)合槽波探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)102工作面進(jìn)行槽波探測(cè)。本次槽波探測(cè)地質(zhì)情況具體任務(wù)為：查明102工作面內(nèi)隱伏的以及影響安全生產(chǎn)的地質(zhì)因素,如構(gòu)造應(yīng)力區(qū)、煤層厚度變化、大小斷層、陷落柱、侵蝕帶等[5-6]。

1 探測(cè)方法原理

1.1 槽波的形成

一般而言，煤本身的密度和波在對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的傳速要比圍巖小，具體如表1所示，在煤層之中會(huì)對(duì)應(yīng)的地震波，如果發(fā)射線基于超出臨界角的方向直接射入煤層頂和底板界面之中，就會(huì)有反射的形成，并且還會(huì)在其中反復(fù)地進(jìn)行多次，從而最終形成槽波，沿著煤層傳播。頂?shù)装搴兔簩又g的速度差明顯影響槽波的形成和質(zhì)量，煤層越穩(wěn)定槽波質(zhì)量越好，煤層變化越大，槽波表現(xiàn)越復(fù)雜[7-8]。槽波具體有兩種。

表1 煤和巖石密度與地震波傳播速度

1.2 槽波的頻散特性

槽波速度是頻率的函數(shù)，視為頻散，在群速度曲線上存在埃里相位，其本身一般在波列的末端出現(xiàn)，并且能量強(qiáng)、振幅大、頻率高，同時(shí)速度也非常的恒定，針對(duì)槽波地震法而言，在勘探之中就主要是利用的槽波埃里相位，對(duì)埃里相分析，埃里相變異可以判斷工作面內(nèi)有沒有陷落柱。埃里相缺失、中斷、錯(cuò)動(dòng)判斷斷層。埃里相的頻率和振幅變化判斷煤厚的變化等[9-10]。

1.3 槽波的頻散曲線提取

為了對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行研究，能夠了解隨著時(shí)間變化頻率的關(guān)系，就可以選擇時(shí)頻分析的方式來進(jìn)行信號(hào)的處理。針對(duì)時(shí)頻（S）而言，其變換原理：S變換本身屬于無損并且可逆的一種時(shí)頻分析工具，公式如下：

式中：S——h(t)的S變換；

f——頻率；

t——時(shí)間；

τ——控制時(shí)間軸上高斯窗的位置。

反變換公式如下：

2 探測(cè)技術(shù)方案

2.1 地球物理前提及探測(cè)方法選擇

在靜水沉積的環(huán)境之下，其本身所形成的煤層賦存狀態(tài)幾乎是水平的，同一時(shí)期的煤層地球物理性質(zhì)彈性也非常的相近，但是考慮到構(gòu)造應(yīng)力這一后期的作用，會(huì)導(dǎo)致賦存的狀態(tài)出現(xiàn)變化，煤層就會(huì)變得扭曲、起伏、錯(cuò)斷，煤體的原生結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)被破壞的情況，最終導(dǎo)致煤體本身松散。對(duì)于落差超出煤厚的斷層構(gòu)造，這樣就會(huì)導(dǎo)致煤層無法再連續(xù)，錯(cuò)斷的巖層直接替代了煤層，斷層構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致煤體介質(zhì)彈性性質(zhì)出現(xiàn)較為明顯的變化：錯(cuò)斷的巖層直接替代煤層，而巖層的彈性系數(shù)以及地震波速度也會(huì)比煤層更高，也就是說在煤層與巖層之間還有彈性差異的存在。針對(duì)斷層帶附近的煤，由于破壞了原生結(jié)構(gòu)，那么就會(huì)降低其對(duì)應(yīng)的波束，導(dǎo)致彈性系數(shù)減小，并且構(gòu)造應(yīng)力破壞程度不同煤的彈性也會(huì)存在一定的差異，也就是說，煤體本身在受到構(gòu)造影響之后，就會(huì)有彈性差異的存在。煤體彈性的差異存在，這樣也能夠通過地震方法的實(shí)用，從而提供前提條件來進(jìn)行斷層等構(gòu)造的探勘與分析。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 探測(cè)布置

在102工作面進(jìn)行槽波探測(cè)，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)沿面布置，激發(fā)點(diǎn)間距20m，接收點(diǎn)間距10m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置測(cè)線、測(cè)點(diǎn)如圖1所示。結(jié)合工作面的實(shí)際情況，本次工作面探測(cè)參數(shù)如下：

（1）激發(fā)點(diǎn)參數(shù)：激發(fā)點(diǎn)測(cè)線圍102工作面布置，共布置170炮，炮孔間距為20m，測(cè)線總長為3200m。

（2）接收點(diǎn)參數(shù)：接收測(cè)線圍102工作面布置，現(xiàn)場(chǎng)共布置370個(gè)接收點(diǎn)，間距為10m，測(cè)線總長3200m。

（3）測(cè)站設(shè)計(jì)：本儀器系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)布置170個(gè)激發(fā)點(diǎn)，370個(gè)接收點(diǎn)，工作面傾向長為160m。炮點(diǎn)孔徑?30mm，其激發(fā)點(diǎn)以炮點(diǎn)為準(zhǔn)，從而落實(shí)震波激發(fā)；檢波點(diǎn)本身屬于接收點(diǎn)，會(huì)直接將TZBS系列傳感器放入其中。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的具體布置，如圖1所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)獲取

采集地震數(shù)據(jù)，主要是在102工作面兩巷安裝1臺(tái)槽波地震儀來接收地震數(shù)據(jù)，這樣就直接形成了單站的一次可接受370道數(shù)據(jù)采集的裝置。在爆破過程中，直接利用300g的乳膠炸藥，直接將藥卷到孔底，然后通過炮泥將其封好，之后通過起爆器以及儀器啟動(dòng)器，在安裝完接收站與激發(fā)站之后，電量直接聯(lián)系開起儀器，將參數(shù)設(shè)定完畢，通過接收站來智慧放炮，并且針對(duì)具體的波形信號(hào)數(shù)據(jù)加以記錄。

在具體設(shè)置參數(shù)時(shí)如下：采樣間隔：0.1ms；通道數(shù)：370道；超前采樣點(diǎn)：96；采樣長度：8K個(gè)點(diǎn)。

在本次的采集過程中，通過連續(xù)高效放炮的方式，對(duì)于同組接收點(diǎn)固定接收的模式，就可以確保扇形實(shí)現(xiàn)最大的范圍覆蓋與探測(cè)區(qū)域覆蓋，其追蹤路徑具體見圖2。

圖2 102工作面5m×5m網(wǎng)格劃分和射線追蹤路徑圖

2.2.3 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量評(píng)述

（1）井下施工條件及采取的技術(shù)措施。井下探測(cè)施工時(shí)，102兩巷施工條件較好，本次地震探測(cè)使用的是波的震動(dòng)信號(hào)，因此巷道中排水管道、電纜線、信號(hào)線等鐵、銅器對(duì)物探信號(hào)影響很小。觀測(cè)系統(tǒng)檢波點(diǎn)，還需要在實(shí)體煤層部位上加以布置，直接在煤層打入鋼釬，并且要求其本身能夠與頂?shù)装逑嗷テ叫?，同時(shí)，在鋼釬上直接固定傳感器，從而讓其達(dá)到傳感器耦合的實(shí)際條件。

（2）原始資料質(zhì)量評(píng)述。在地震施工中，基于礦井震波探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，以此來滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障，在施工中，直接在102工作面的兩巷與切眼布置激發(fā)點(diǎn)，一共有170個(gè)炮點(diǎn)，其中無效炮孔為0；接收點(diǎn)在102工作面兩巷及切眼布置，共計(jì)370個(gè)。為了滿足精度的要求，基于實(shí)測(cè)點(diǎn)代入運(yùn)算，從而進(jìn)行具體的分析與計(jì)算。

對(duì)于資料質(zhì)量而言，基于探測(cè)區(qū)域之中射線實(shí)際的覆蓋次數(shù)進(jìn)行分析衡量，其疊加次數(shù)具體如圖3所示。在實(shí)際探測(cè)中，其覆蓋次數(shù)基本超出10次，能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，這表示原始的資料質(zhì)量是可靠的。

圖3 102工作面探測(cè)區(qū)域射線疊加次數(shù)圖

3 數(shù)據(jù)處理及分析解釋

3.1 數(shù)據(jù)資料處理流程

3.1.1 建立觀測(cè)系統(tǒng)

觀測(cè)系統(tǒng)是指炮點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的幾何位置的布置關(guān)系。接收點(diǎn)布置往往沿巷道呈線狀布置排列。觀測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生直接影響，因此必須保證建立準(zhǔn)確的觀測(cè)系統(tǒng)。要根據(jù)具體的槽波探測(cè)地質(zhì)任務(wù)，針對(duì)巷道布置、安裝采掘設(shè)備等各個(gè)因素進(jìn)行仔細(xì)的分析探究，以確定最佳的觀測(cè)系統(tǒng)方式。

基于炮點(diǎn)出發(fā)的地震波，伴隨著傳播距離的不斷增加，其本身會(huì)呈現(xiàn)出球面的擴(kuò)散形勢(shì)，并且能量有所降低，頻率也在持續(xù)地降低。槽波本身為二維板的擴(kuò)散。原本單炮通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償校正之后，其遠(yuǎn)距離的記錄能量會(huì)得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，其實(shí)際的層次也會(huì)變得更加的清楚。對(duì)于井下槽波地震，都在煤層之中進(jìn)行激發(fā)與接收，來自于煤層底板與底板的折射縱波和橫波，其頻率相對(duì)偏低，而槽波埃里相頻率則取決于煤層的實(shí)際厚度，如果薄煤層埃里相頻率高，那么其厚煤層頻率相對(duì)偏低。通過濾波，就可以對(duì)于縱波與橫波進(jìn)行壓制，這樣就可以滿足槽波信噪比的提高，并且也可以實(shí)現(xiàn)不同形式槽波的劃分。

3.1.2 速度分析

以第2炮1～60道數(shù)據(jù)為例進(jìn)行初步分析，對(duì)采集的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可以明顯看到，縱波和橫波得到壓制，槽波能量變強(qiáng)，特征明顯。

3.1.3 頻散分析

槽波具有很強(qiáng)的頻散特性，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。對(duì)原始地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出槽波的頻散圖。

3.2 槽波地震資料解釋原則

槽波衰減系數(shù)成像的方法，姬廣忠等做了解釋和總結(jié)，本次探測(cè)解釋原則主要遵循：以槽波透射能量衰減為主，槽波速度成像結(jié)果圖次之，輔以槽波特征分布圖、縱橫波速度成像結(jié)果圖、無線電波透視結(jié)果進(jìn)行綜合解釋。

3.3 數(shù)據(jù)資料處理及成果分析

3.3.1 頻率的確定與提取

槽波的能量主要集中在100～140Hz。我們從頻散圖中抽取100～140Hz的結(jié)果，就會(huì)得到窄帶寬的地震槽波信號(hào)。

3.3.2 槽波的速度成像

槽波的速度較P、S波最慢，認(rèn)為S波的最后一個(gè)波峰時(shí)刻直接就是槽波的初至。使用槽波CT自動(dòng)解析軟件，初至拾取模塊進(jìn)行到時(shí)拾取，然后直接將其校正到第三波組初至處，這樣就可以獲取對(duì)應(yīng)的槽波時(shí)間函數(shù)。然后將檢點(diǎn)位置坐標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)等直接輸入到CT成像模塊之中，首先通過BPT計(jì)算結(jié)果，將其作為慢度初值，其中Mpspace=0.5、Mpmin=0.5、Mpmax=3，然后試試迭代計(jì)算，這樣就能夠?qū)?yīng)地獲取槽波層析成像，層析成像結(jié)果根據(jù)各道槽波的頻散速度值直接計(jì)算，不需要人工讀取，具有客觀性，較準(zhǔn)確。

3.3.3 透射槽波的能量分析

槽波在煤層中的傳輸與光波在光纖之中的傳播相對(duì)類似，并且在煤層之中的傳播透射性良好。如果工作面內(nèi)的煤層相對(duì)單一，穩(wěn)定性良好，那么槽波就會(huì)穿透巨大部分的工作面煤體，同時(shí)其能量容易識(shí)別，不會(huì)呈現(xiàn)出過快的衰減。如果在傳播過程之中出現(xiàn)槽波遇到了陷落柱、斷層等異常的地質(zhì)構(gòu)造，那么就會(huì)改變其槽波能量。但是當(dāng)斷層斷距超出煤層厚度，那么巖石就會(huì)直接斷開煤層，導(dǎo)致槽波不能夠穿透到另外一盤，最終迅速地衰減槽波能量；如果斷層斷距比煤厚小于一半的時(shí)候，煤層沒有被完全斷開，煤層的上下盤之間仍會(huì)存在煤層的連接，但是因?yàn)樗p較多，這樣就會(huì)增大斷層的斷距；當(dāng)其斷距小于煤厚一半的時(shí)候，大部分槽波都可以實(shí)現(xiàn)斷層的穿透，降低能量的衰減，這樣無法對(duì)斷層形態(tài)實(shí)現(xiàn)輕易的查看。

3.3.4 縱橫波的速度成像

基于橫波速度與縱波速度來實(shí)現(xiàn)震波CT的反演切片。在煤層之中傳播地震波，煤層屬于波低速介質(zhì)，基于切片分析，如果煤層均勻分布，就屬于均勻分布的波束圖。如果遇到構(gòu)造的時(shí)候，一般都會(huì)表現(xiàn)出高速的異常區(qū)域，對(duì)于煤層為頂部或者是底板巖石代替所形成的分析，一般來說，對(duì)于破碎的區(qū)域?qū)儆诘退賲^(qū)域；對(duì)于巖層變厚或者是變薄的屬于高速異常區(qū)域，從而得出地質(zhì)結(jié)論。

基于速度值來進(jìn)行相對(duì)的工作面速度變化進(jìn)行分析，橫波平均值為1.5m/ms，縱波平均值為2.6m/ms，基于速度異常定義平均值20%以上，就可以得到其縱波異常速度為4.0m/ms，高速異常，低速為2.0m/ms；橫波的分別是2.2m/ms與1.1m/ms?；诓ㄊ母叩彤惓Ｖ?，針對(duì)斷層落差進(jìn)行綜合的分析與判定，一般就可以利用異常值的具體情況來進(jìn)行大小的定性評(píng)價(jià)，亦或是結(jié)合工作面的實(shí)際揭露的情況，直接與落差的大小進(jìn)行相互的對(duì)比，然后試試具體的定量評(píng)價(jià)分析。

4 結(jié)論

（1）本次順利完成102工作面現(xiàn)場(chǎng)槽波探測(cè)工作，其中地震走向總測(cè)線長3200m；項(xiàng)目采集了170炮激發(fā)370個(gè)檢波器接收的高信噪比的地震記錄，為數(shù)據(jù)分析提供了可靠的原始數(shù)據(jù)；

（2）本次102工作面最終的綜合成果圖解釋了8個(gè)綜合異常區(qū)（綜合異常區(qū)YC1、綜合異常區(qū)YC2、綜合異常區(qū)YC3、綜合異常區(qū)YC4、綜合異常區(qū)YC5、綜合異常區(qū)YC6、綜合異常區(qū)YC7、綜合異常區(qū)YC8），各異常區(qū)在槽波速度成像、縱波速度層析成像、橫波速度層析成像、槽波能量衰減結(jié)果圖、槽波特征值交會(huì)圖中基本都有所反映。

（3）在槽波探測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上煤礦進(jìn)行鉆探驗(yàn)證工作，鉆探結(jié)果顯示與槽波探測(cè)結(jié)果基本吻合，為今后該工作面安全生產(chǎn)提供可靠資料。

（4）該工作面回采順利結(jié)束后，回采過程中揭露槽波探測(cè)結(jié)果的8處異常區(qū)實(shí)際存在，本次槽波探測(cè)順利進(jìn)行及結(jié)果正常預(yù)測(cè)，為河?xùn)|煤田同一煤層相鄰礦井的槽波地質(zhì)探測(cè)工作打下基礎(chǔ)和提供資料依據(jù)。