反射槽波法在探測(cè)煤田地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用

馬彥龍，劉 斌

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

槽波探測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下工作面內(nèi)小斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)異常體的探測(cè)[1-3]. 槽波探測(cè)技術(shù)分為透射法與發(fā)射法兩種，其中，反射槽波法具有在單條巷道掘進(jìn)完成或者利用工作面一側(cè)巷道向另一側(cè)探測(cè)異常信息、探測(cè)距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，給預(yù)先工作面布置提供地質(zhì)依據(jù)[4-5].

1 反射槽波原理

這種方法的有效波是反射槽波信號(hào)。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗(速度和密度差異)的分界面，就會(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)。因此，識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置，見(jiàn)圖1，激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)[6-9].

當(dāng)震源在煤層中激發(fā)時(shí)，由于煤層相對(duì)于頂?shù)装鍑鷰r是一個(gè)低速層，大部分彈性波將由于頂?shù)装褰缑骈g的多次反射被禁錮在煤層中，相互疊加干涉，形成槽波。槽波在巷道內(nèi)被激發(fā)時(shí)將沿煤層傳播，當(dāng)遭遇到斷層等具有波阻差異的構(gòu)造時(shí)，一部分的槽波會(huì)發(fā)生反射，形成反射槽波，被震源所在巷道內(nèi)的檢波器接收到。反射槽波法主要利用形成的反射槽波來(lái)探測(cè)異常地質(zhì)構(gòu)造。

反射槽波成像采用繞射波成像算法。由于槽波僅在煤層中傳播，因此槽波的繞射偏移成像一般在煤層所近似的平面內(nèi)完成。設(shè)P(x,y)為平面內(nèi)一點(diǎn)，則該點(diǎn)上的疊加振幅為：

式中：

N—總炮數(shù)；

M—檢波器數(shù)；

A(tij)—第i個(gè)炮集中第j道信號(hào)在tij時(shí)刻的瞬時(shí)振幅；

vg—槽波群速度；

rij—P(x,y)點(diǎn)到第i個(gè)震源點(diǎn)和第j個(gè)接收點(diǎn)的距離的和[7-11].

2 工程實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

某礦1224工作面往東煤層未采動(dòng)，屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)煤層，厚度在1.2～1.6 m，平均厚度1.4 m，偽頂在0.7～2.9 m，運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)程中，巷道內(nèi)揭露斷層3條(F161、F164、F165)，斷距為0.7～4.0 m. 在勘探范圍內(nèi)，三維地震解釋較可靠陷落柱DX1，可靠陷落柱DX2、異常區(qū)DY1，探測(cè)區(qū)域?yàn)?224運(yùn)輸順槽往東150 m區(qū)域，見(jiàn)圖2.

圖2 探測(cè)區(qū)域圖(灰色區(qū)域)

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1224工作面運(yùn)輸順槽外側(cè)幫炮點(diǎn)與接收點(diǎn)布置：炮眼設(shè)置在煤層中間，垂直于煤壁，深度3.0 m，d42 mm，每個(gè)炮眼300 g乳化炸藥，檢波點(diǎn)道距5 m，炮點(diǎn)道距10 m. 采集槽波一般用SN4-60 HZ縱波檢波器，數(shù)據(jù)采集的采樣間隔為0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 s，布置圖見(jiàn)圖3.

圖3 觀測(cè)系統(tǒng)布置圖(炮點(diǎn)，接收點(diǎn))

2.3 數(shù)據(jù)處理

1) 波場(chǎng)類(lèi)型與速度分析。

以S38炮為例進(jìn)行初步分析，見(jiàn)圖4，S38單張記錄中顯示4組波，最先到達(dá)的是來(lái)自圍巖的折射縱波，隨后是來(lái)自圍巖的折射橫波，最后到達(dá)的能量團(tuán)是直達(dá)槽波與反射槽波，實(shí)際采集數(shù)據(jù)中包含較高的噪聲，經(jīng)頻譜分析，噪聲成分主要分布在80 HZ以下。為了壓制圍巖折射縱波、折射橫波，提高槽波的信噪比，對(duì)該工作面采集的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波，然后進(jìn)行CT成像等處理作業(yè)。

圖4 S38炮濾波后數(shù)據(jù)圖

2) 頻散分析。

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化，通過(guò)軟件計(jì)算出的Love型槽波的頻散特征見(jiàn)圖5. 從圖5可以看出，煤厚1.4 m的埃里相在350 HZ附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。實(shí)際數(shù)據(jù)中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲成分大于槽波速度，對(duì)本次數(shù)據(jù)處理影響不大。

圖5 Love型槽波頻散特征圖

3) 處理成果。

槽波具有能量強(qiáng)、速度低、頻散等特點(diǎn)。直達(dá)槽波對(duì)反射槽波的影響很大，頻散特性使槽波具有較長(zhǎng)的波列，致使反射槽波淹沒(méi)在直達(dá)槽波的續(xù)至波列中。因此，在資料處理過(guò)程中需要壓縮槽波波列以增強(qiáng)反射槽波；其次，槽波沒(méi)有明顯的同相軸，無(wú)法直接疊加成像，處理時(shí)根據(jù)巷道揭露斷層情況將成像區(qū)域分為3段，每段劃分若干個(gè)網(wǎng)格單元，依據(jù)反射槽波成像方法，將接收信號(hào)的能量按照反射槽波的傳播路徑進(jìn)行偏移歸位，就可以得到探測(cè)區(qū)域的反射槽波CT成像結(jié)果(圖6). 成像結(jié)果中的條帶狀異常區(qū)域一般與斷層或陷落柱等異常構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋如下：

CX1：西側(cè)邊界約30 m，位于1224工作面運(yùn)輸順槽東側(cè)Y3導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)東側(cè)約40 m處，三維地震解釋為較可靠陷落柱，與原解釋相比較，西側(cè)邊界往西偏移16 m；CX2：西側(cè)邊界約65 m，位于1224工作面運(yùn)輸順槽靠近切眼以東約40 m處，三維地震解釋異常區(qū)DY1內(nèi)，為可靠陷落住，與原解釋相比較西側(cè)邊界偏移了100 m；CX3：西側(cè)邊界約120 m，位于1224工作面運(yùn)輸順槽東側(cè)Y4導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)東側(cè)約42 m處，為槽波新發(fā)現(xiàn)陷落住。

4) 鉆探驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)打鉆驗(yàn)證，解釋3個(gè)陷落柱位置準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上(圖7).

圖6 數(shù)據(jù)處理解釋結(jié)果圖

圖7 鉆探與探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié) 論

1) 反射槽波可以利用單條巷道有效探測(cè)工作面一側(cè)的地質(zhì)構(gòu)造，為工作面布置提供地質(zhì)依據(jù)。

2) 為了更多的形成反射槽波信號(hào)，應(yīng)該針對(duì)性的加密道距和炮距。

3) 反射槽波探測(cè)1224工作面結(jié)果得出3個(gè)陷落柱、2條斷層，經(jīng)鉆探驗(yàn)證與探測(cè)結(jié)果相吻合，反映了反射槽波在工作面布置及回采過(guò)程中的重要作用。