槽波反射法在工作面大斷層上下兩盤(pán)延伸發(fā)育探測(cè)中的應(yīng)用

李梓毓，焦 陽(yáng)，李江華，2，3，竇文武，廉玉廣，2，3，譚 菁

（1.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，山西 晉城048006；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013 ）

近年來(lái)全國(guó)各地煤礦的地質(zhì)構(gòu)造情況日趨復(fù)雜，井田內(nèi)煤厚變化大，斷層和陷落柱等構(gòu)造發(fā)育分布情況更為廣泛，煤層應(yīng)力集中、煤體破碎、瓦斯富集等現(xiàn)象也日趨常見(jiàn)，這些已經(jīng)逐漸成為了影響礦井采掘布置和安全生產(chǎn)的主要因素，如果在礦井的采掘過(guò)程中無(wú)計(jì)劃揭露上述這些地質(zhì)構(gòu)造，都有可能出現(xiàn)冒頂、突水、瓦斯突出等災(zāi)難事故，嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。

以往的物探手段中，如地面三維地震勘探和井下無(wú)線電透視技術(shù)已經(jīng)很難滿足礦方對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)需求，地面三維地震勘探受施工條件約束，地面地形高差大，反演成果主要服務(wù)于礦井整體煤層展布情況探測(cè)及構(gòu)造發(fā)育整體分布情況探測(cè)，但在小范圍的回采工作面區(qū)域的構(gòu)造探測(cè)情況上會(huì)出現(xiàn)偏差、準(zhǔn)確率較低，難以滿足回采工作面對(duì)構(gòu)造探測(cè)的需求，且施工周期長(zhǎng)、成本較高[7]；井下無(wú)線電波透視技術(shù)無(wú)論在發(fā)展與應(yīng)用上都較為成熟，但此技術(shù)傳播距離受限，探測(cè)工作面縱向分辨率較低，抗電干擾能力弱，對(duì)陷落柱構(gòu)造反應(yīng)明顯，但探測(cè)斷層仍然難度較大[8]。而在物探結(jié)果可靠程度低的情況下，井下鉆探的效率就會(huì)大幅度降低，若全面雙向布置鉆孔探測(cè)，無(wú)固定靶區(qū)，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本過(guò)高[9]。

近些年槽波地震勘探技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，其探測(cè)精度高，探測(cè)距離大，抗干擾能力強(qiáng)，已逐漸成為煤礦構(gòu)造探測(cè)方面最主流的地球物理勘探技術(shù)[10-13]。透射法應(yīng)用于工作面內(nèi)煤厚及構(gòu)造探測(cè)，技術(shù)逐漸成熟[14-15]；反射法則應(yīng)用于不同波阻抗介質(zhì)的界面探測(cè)，多應(yīng)用于斷層探測(cè)，也能夠?qū)ο萋渲吔缗c空巷進(jìn)行探測(cè)，且可以利用單一巷道對(duì)近走向型斷層進(jìn)行探測(cè)，從而指導(dǎo)礦井工作面布置。至今槽波地震勘探技術(shù)的應(yīng)用以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸成為了煤礦地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的主要手段，并且已為煤礦生產(chǎn)指導(dǎo)起到了至關(guān)重要的作用。

1 槽波地震勘探原理

當(dāng)在煤層中放炮激發(fā)震動(dòng)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生地震波，包括P 波和S 波，S 波又包括SH 波和SV 波。這些地震波會(huì)向周?chē)鷤鞑U(kuò)散。由于煤層與其頂?shù)装逦锢硇再|(zhì)差異，其波速明顯低于頂?shù)装宓牟ㄋ?，地震波傳播到煤層頂?shù)装褰缑鏁r(shí)就會(huì)被全部反射和折射回煤層內(nèi)部，相互疊加、干涉形成槽波。當(dāng)煤層的連續(xù)性發(fā)生變化時(shí)，槽波特征會(huì)隨之改變，而槽波地震勘探就是通過(guò)這些變化的特征分析從而完成地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)化探查[16-17]。

槽波地震勘探方法有3 種：透射法、反射法以及透射、反射聯(lián)合探測(cè)法。探測(cè)原理示意圖如圖1。

1）槽波透射法是在工作面兩側(cè)巷道分別布置放炮激發(fā)點(diǎn)與檢波器，利用檢波器接收另1 條巷道激發(fā)傳播的槽波信號(hào)，通過(guò)逐炮逐道的頻散分析旅行時(shí)拾取或者槽波艾里相振幅拾取計(jì)算衰減系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)槽波透射速度分析法和衰減系數(shù)成像法探測(cè)工作面內(nèi)部構(gòu)造。

圖1 槽波反射法和透射法探測(cè)原理示意圖

2）槽波反射法探測(cè)是在同1 條巷道內(nèi)同時(shí)布置放炮激發(fā)點(diǎn)與檢波器，當(dāng)放炮激發(fā)后槽波向四周擴(kuò)散傳播，遇到波阻抗不同的2 種介質(zhì)的交界面后，槽波會(huì)發(fā)生反射，通過(guò)該巷道同時(shí)布置的檢波器來(lái)接收這些反射槽波的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波，增益，包絡(luò)，疊加，偏移校正等處理方式找到反射信號(hào)的艾里相同相軸，從而查明反射界面的位置和延伸長(zhǎng)度[18-19]。

3）槽波地震勘探法研究結(jié)果表明，適用于槽波賦存特性較好的煤層，其特性主要為煤層的槽導(dǎo)性好、槽波艾里相頻率較高，群速度較低。相較于透射法而言，槽波反射法勘探的影響因素更多，包括槽波反射信號(hào)的信噪比、槽波頻散導(dǎo)致的分辨率降低、反射系數(shù)、反射面不平、反射體產(chǎn)狀、斷層落差、斷層面傾角、大斷層阻擋、多條斷層疊加、探測(cè)盲區(qū)、聲波干擾、煤層褶曲、檢波器二次諧振等，特別是在斷層探測(cè)中，如果斷層走向與觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)線方向的角度過(guò)大（即近工作面傾向斷層），檢波器難以接收到有效的反射槽波信號(hào)，而如果探測(cè)區(qū)域淺部存在落差大于煤層厚度斷層，其深部的反射界面信息會(huì)由于槽導(dǎo)性的缺失而難以探明，所以，觀測(cè)系統(tǒng)的合理布置和反射槽波的數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要[20-21]。

2 2313工作面概述及觀測(cè)系統(tǒng)布置

2.1 工作面概況

2313 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 170 m，切眼寬225 m，主采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為5.3 m，為穩(wěn)定可采煤層。該工作面在23133 巷揭露了1 條向工作面內(nèi)延伸的名為SF315的正斷層，該斷層斷距18 m，傾角30°~40°，傾向300°左右，但該斷層在已圈成的工作面其他巷道中并未出現(xiàn)，說(shuō)明該斷層在工作面內(nèi)部尖滅，礦方為準(zhǔn)確掌握該斷層的延伸發(fā)育位置，決定利用槽波地震勘探主要針對(duì)該斷層進(jìn)行探測(cè)。

2.2 槽波勘探觀測(cè)系統(tǒng)布置

針對(duì)2313 工作面的實(shí)際情況，利用工作面2 條巷道全部布置檢波器與放炮點(diǎn)，通過(guò)雙邊收發(fā)透射與雙邊收發(fā)反射針對(duì)SF315斷層進(jìn)行探測(cè)。

2313 工作面槽波反射觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2。在23131 巷和23133 巷布置檢波器和放炮激發(fā)點(diǎn)，共布置了50 道雙分量檢波器（圖2 中●表示），檢波器道間距為20 m，61 個(gè)放炮激發(fā)點(diǎn)（圖2 中×表示），激發(fā)點(diǎn)炮間距為20 m，單孔藥量為200 g，炮檢距為10 m；測(cè)線長(zhǎng)度（放炮激發(fā)點(diǎn)與檢波器的橫向布 置 距 離）23131 為560 m，23133 為630 m；從23131 巷開(kāi)始逐炮激發(fā)接收數(shù)據(jù)。

圖2 2313 工作面槽波反射觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 2313工作面槽波數(shù)據(jù)處理分析

2313 工作面槽波地震勘探使用儀器為德國(guó)DMT 公司的Summit ⅡEx 防爆槽波地震儀，該儀器檢波器安裝在工作面鉆孔之中，利用皮囊充氣技術(shù)使檢波器與孔壁達(dá)到較為理想的耦合狀態(tài)，從而提高了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)采集的所有的放炮激發(fā)點(diǎn)的原始單炮記錄進(jìn)行反射槽波的疊加偏移成像和槽波透射能量衰減系數(shù)層析成像處理。

3.1 槽波反射法

利用同1 條巷道布置的檢波器和放炮激發(fā)點(diǎn)獲取原始單炮記錄，對(duì)槽波信號(hào)進(jìn)行AGC 增益和濾波處理，收集有效的反射槽波信息。再進(jìn)行CMP 包絡(luò)疊加、時(shí)深轉(zhuǎn)換以及相位偏移等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終形成槽波反射界面圖，并結(jié)合實(shí)際情況找出清晰有效的同相軸界面，最終分析確定同相軸反射界面的構(gòu)造類(lèi)型性質(zhì)。

本次槽波探測(cè)的第20 炮單炮反射記錄如圖3，是選取比較典型的槽波反射單炮記錄。其反射槽波共同特征為：接收到的反射槽波能量強(qiáng)，速度低，根據(jù)透射槽波的旅行時(shí)和炮檢偏移距計(jì)算槽波速度在880 m/s 左右，頻率相對(duì)較高，通過(guò)主頻分析反射槽波頻率主要集中在140~200 Hz。從圖3 可以看出，單炮記錄上反射槽波信息非常豐富，說(shuō)明探測(cè)區(qū)域可能存在多個(gè)反射界面。

圖3 第20 炮單炮反射記錄

23131 巷反射圖如圖4。可以清晰看到F1同相軸反射界面與SF315斷層下盤(pán)巷道揭露位置極為吻合，可以推斷此界面即為SF315斷層下盤(pán)反射界面，且在停采線附近斷層尖滅（同相軸逐漸消失）。

圖4 23131 巷反射成果圖

23133 巷反射圖如圖5。圖5 中有2 條較為清晰的同相軸，命名為F2和F3，F(xiàn)2與23131 巷的相交位置在SF315斷層下盤(pán)23131 巷揭露位置以西35 m 左右，根據(jù)SF315斷層的斷距，傾角和傾向等要素可以計(jì)算出理論上SF315斷層上盤(pán)與23131 巷空間立交位置應(yīng)在30 m，基本與F2同相軸位置相同，基本可以確定F2同相軸應(yīng)為SF315斷層的上盤(pán)反射界面。

圖5 23133 巷反射成果圖

23133 巷反射F2同相軸相對(duì)于F3同相軸為深部反射信息，槽波傳播過(guò)程中會(huì)先經(jīng)過(guò)F3，F(xiàn)3反射界面對(duì)槽波傳播速度和能量產(chǎn)生影響，槽波在經(jīng)過(guò)F3之后再遇到F2反射界面就可能會(huì)受上述影響而出現(xiàn)同相軸實(shí)際位置發(fā)生偏移或缺失等情況，另外結(jié)合F1同相軸的延伸位置也可以輔助分析F2與F3的同相軸延伸情況。

將2 條巷道的反射界面疊加，依上下盤(pán)斷層圖例標(biāo)識(shí)出SF315斷層的探測(cè)位置（圖6）。

圖6 2313 工作面槽波勘探成果圖

3.2 槽波透射能量衰減系數(shù)層析成像法

利用2 條不同的巷道分別布置的檢波器和放炮激發(fā)點(diǎn)獲取原始單炮記錄，對(duì)槽波信號(hào)進(jìn)行主頻分析和濾波處理，突顯出透射槽波，并對(duì)信噪比較高的各道槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)振幅拾取，通過(guò)振幅比值計(jì)算其衰減系數(shù)，最終進(jìn)行層析成像，衰減系數(shù)大的區(qū)域代表地質(zhì)構(gòu)造異常影響，衰減系數(shù)小的區(qū)域代表煤層正常[1-3]。

橫向屏蔽作用射線示意圖如圖7。受觀測(cè)系統(tǒng)的局限性，槽波透射法探測(cè)時(shí)，工作面內(nèi)部如存在近走向型的較大斷距斷層，會(huì)對(duì)槽波信號(hào)的接收產(chǎn)生橫向的類(lèi)似屏蔽作用，在層析成像中就會(huì)出現(xiàn)大片區(qū)域的探測(cè)異常，縱向分辨率很低，但橫向分辨率則不受影響。2313 工作面的SF315斷層走向30°左右，傾向30°~40°，斷距18 m，平均煤厚5.3 m，完全斷開(kāi)煤層，為工作面內(nèi)的近走向斷層，2313 工作面槽波透射能量衰減系數(shù)層析成像如圖8。大片區(qū)域的能量衰減異常區(qū)，在縱向上幾乎無(wú)法分辨，但在橫向上與反射的斷層探測(cè)結(jié)果互相照應(yīng)，由于斷層兩端尖滅處，斷距變小，不能完全起到屏蔽作用，所以會(huì)有部分出入，但整體橫向?qū)?yīng)效果仍然較好。

4 2313工作面鉆探物探成果對(duì)比

針對(duì)2313 工作面物探成果，在2 條巷道施工了4 個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，在23131 巷和23133 巷分別施工了2 個(gè)鉆孔，由于鉆孔孔深較長(zhǎng)，礦方為了保證探測(cè)準(zhǔn)確性，對(duì)這4 個(gè)鉆孔進(jìn)行了測(cè)斜，終孔探測(cè)位置如圖9。

圖7 橫向屏蔽作用射線示意圖

圖8 透射能量衰減系數(shù)CT 成像圖

圖9 鉆探物探成果對(duì)比圖

圖9 中1#鉆孔用以探測(cè)F1斷層的賦存情況，在126 m 處揭露F1斷層，與探測(cè)的F1斷層賦存位置偏差為6 m；2#～4#鉆孔用以探測(cè)SF315斷層的賦存情況，2#鉆孔在101 m 處揭露了SF315斷層，與槽波探測(cè)結(jié)果位置偏差為5 m，3#鉆孔在56 m 處揭露了SF315斷層，位置偏差為4 m，4#鉆孔在100 m 處揭露了SF315斷層，位置偏差為8 m。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)1斷層與SF315斷層槽波探測(cè)結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果偏差不超過(guò)10 m，斷層賦存位置探測(cè)結(jié)果很精確，SF315斷層在向工作面內(nèi)部延伸過(guò)程中與探測(cè)結(jié)果相對(duì)比更靠近23131 巷一些。

根據(jù)最終的探測(cè)成果，礦方在進(jìn)行鉆探驗(yàn)證之后，決定將工作面整體停采線位置前移至23131 巷SF315斷層探測(cè)結(jié)果上盤(pán)位置前20 m 處，并根據(jù)實(shí)際探測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)了SF315斷層以北工作面區(qū)域的局部回采方案，此次槽波反射探測(cè)結(jié)果為礦井生產(chǎn)提供了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

1）礦井工作面內(nèi)發(fā)育的大斷距的斷層，由于其上下盤(pán)平面間距已無(wú)法忽略，可利用兩側(cè)巷道雙向探測(cè)斷層的上下盤(pán)反射界面，能夠達(dá)到高精度控制此類(lèi)斷層的要求，從而為礦井的高效生產(chǎn)進(jìn)行精確有效的指導(dǎo)。

2）在槽波反射法勘探過(guò)程中，受觀測(cè)系統(tǒng)的局限，在測(cè)線邊界的CMP 疊加包絡(luò)同相軸偏移較大，可靠程度較低，難以精確探測(cè)測(cè)線邊界的同相軸延伸情況，可以利用槽波透射能量衰減系數(shù)CT 成像技術(shù)橫向上的高分辨率對(duì)邊界異常范圍進(jìn)行控制，綜合分析斷層的具體延伸位置，現(xiàn)今的地球物理勘探技術(shù)方法已逐漸由單一手段方法向多種手段多種方法綜合探測(cè)模式發(fā)展，而這種綜合探測(cè)技術(shù)也必將成為主流。

3）當(dāng)存在2 條以上斷層時(shí)，利用槽波反射法探測(cè)時(shí)，槽波傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)淺部斷層會(huì)改變槽波的速度和能量，從而使深部斷層的探測(cè)結(jié)果發(fā)生改變，如同相軸發(fā)生偏移，或無(wú)法得到清晰的同相軸。當(dāng)前理論認(rèn)為槽波經(jīng)過(guò)斷層時(shí)會(huì)發(fā)生折射和反射，折射過(guò)程中經(jīng)過(guò)煤巖層交界，會(huì)使槽波速度增大，這就造成了上述探測(cè)的偏差，但定性的解釋無(wú)法校正速度變化帶來(lái)的偏差，槽波在經(jīng)過(guò)各類(lèi)構(gòu)造速度的變化規(guī)律必然是槽波反射法探測(cè)研究的重點(diǎn)。