反射槽波地震勘探技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用

劉貴明，任愛國，王克明，左兆龍

(1.晉能集團太原有限公司，山西 太原 030000；2.北京中礦大地地球探測工程技術(shù)有限公司，北京 100089)

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的地震槽波探查煤層內(nèi)斷層、采空區(qū)或其他地質(zhì)異常的一種物探方法，是地震勘探的一個分支[1]。1955年，Evison首次在煤層中激發(fā)與記錄到了煤層波，并指出這種波具有頻散特征[2]；1963年，T.C克雷(T.C.Krey)發(fā)表了槽波頻散關(guān)系的理論計算及試驗結(jié)果[3]。隨后由于艾里相的應(yīng)用和井下防爆槽波儀的出現(xiàn)，槽波地震勘探得以突破性發(fā)展，在德、英、捷、澳、前蘇聯(lián)、美等國相繼得以實際應(yīng)用于煤田井下勘探[4]。20世紀70年代末，Mason和Buchanan等開展了將反射法槽波地震應(yīng)用于探測煤層內(nèi)斷層的試驗，并提出了一系列槽波成像方法，如動態(tài)道集疊加法[5]和自適應(yīng)延遲疊加[6]等方法。20世紀80年代末，德國的Elson和Schott在多個煤礦開展了反射槽波試驗，并在處理過程中引入了極化濾波與包絡(luò)疊加的方法[7]。我國自20世紀80年代末期開始進行槽波地震研究以來[8]，在理論研究上取得了實質(zhì)性進展，在實際應(yīng)用方面也越來越成熟，目前已成為井下物探的主要手段之一[9-12]。本文通過對山西煤炭運銷集團拓新煤業(yè)有限公司軌道大巷支巷采用反射槽波勘探法探測，探查巷道附近采空區(qū)邊界位置及延伸情況，通過對反射槽波數(shù)據(jù)的分析和處理后得到偏移成像圖，確定勘探區(qū)域內(nèi)采空區(qū)的大致范圍，為礦井優(yōu)化設(shè)計、安全開采提供合理的指導(dǎo)。

1 礦井概況

山西煤炭運銷集團拓新煤業(yè)有限公司為原廟灣煤礦和萬勝窯礦整合而成，井田面積1.6209km2，批準開采9#煤層。礦井保有儲量為2162萬t，設(shè)計可采儲量886萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力45萬t/a，設(shè)計服務(wù)年限14a。礦井主采太原組9號煤，煤厚10.7～11.0m，平均煤厚10.9m，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸1～3層，頂板巖性為L1石灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖。礦井生產(chǎn)情況及采(古)空區(qū)資料不詳。原設(shè)計將井底車場、中央變電所、中央水泵房及水倉的布置在三條下山之間。全部為巖石巷道，縱橫交叉，施工難度極大。

為保證礦井主副水倉、水泵房及中央變電所規(guī)劃設(shè)計位置的合理安全，同時能以較低的工程造價及較短的工期完成施工，需探明軌道大巷支巷50～60m范圍內(nèi)的采空區(qū)邊界位置及延伸影響，并進一步查清該區(qū)域小煤窯老巷的分布情況，決定對該區(qū)域開展反射槽波地震探測方法進行采空區(qū)探測，為上述巷道及硐室的重新規(guī)劃布置提供地質(zhì)保障。

2 反射槽波勘探施工布置

2.1 觀測系統(tǒng)

本次勘探范圍為拓新煤業(yè)軌道大巷支巷兩側(cè)區(qū)域，勘探區(qū)域測線長135m，根據(jù)現(xiàn)場踏勘條件，該巷道為近乎水平巷道，煤層分布較為穩(wěn)定，周圍無其他因素干擾，總體條件比較適合反射槽波勘探的施工。為提高探測精度，保證槽波信號最強，所有炮孔位于煤層中間位置，且炮孔深度2m，使用單孔藥量200g乳化炸藥作為激發(fā)震源，炮孔用炮泥封孔來減少聲波干擾，封孔長度1m。施工采用較小的道間距進行數(shù)據(jù)采集，炮間距8m，炮點編號分別為P1—P16；道間距4m，接收點編號分別為J1—J32；總炮數(shù)16炮，總接收道數(shù)32道。觀測系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 軌道大巷支巷觀測系統(tǒng)布置

2.2 采集裝備

此次地震槽波勘探項目使用YTC12分布式槽波地震儀采集數(shù)據(jù)，檢波器采用錨桿連接的方式進行接收震源振動，分布式采集站狀態(tài)正常情況下，按動采集功能按鈕，開始記錄數(shù)據(jù)，并存儲至內(nèi)部存儲器。當通過爆炸產(chǎn)生人工地震震動時，觸發(fā)記錄器通過檢波器的振動自動記錄震源觸發(fā)時間并存儲。檢波器采用SN4G-10Hz高靈敏度檢波器，記錄時長4s。

2.3 采集要求

激發(fā)點要求在煤層中間位置鉆孔，孔深度為2m，誤差小于0.5m；鉆孔均布置于煤層中，且與煤層傾斜角度平行。接收孔深度2m，接收點檢波器安置方向既平行于煤層，又平行于煤壁，且保證所有檢波器方向一致。

2.4 井下環(huán)境噪音分析

經(jīng)調(diào)查可知，井下無明顯的較大噪聲源，基本滿足地震數(shù)據(jù)采集條件。所接收到的第一炮原始單炮地震記錄如圖2所示。由圖2可知，地震波傳播至最遠距離的檢波點時，仍然具有較強的能量，且有效波較為清晰，整體信噪比較高，即說明采集參數(shù)，觀測系統(tǒng)布置合適。

圖2 第1炮地震剖面記錄

3 地震資料處理

反射槽波資料處理是利用接收到的反射槽波進行疊加，從而分析解釋異常區(qū)的空間分布等。反射槽波數(shù)據(jù)處理流程主要包括數(shù)據(jù)預(yù)編輯、建立觀測系統(tǒng)、疊前濾波處理/增益/褶積、疊后動校正和水平疊加、偏移等處理步驟。通過對槽波的頻率進行分析，利用窄帶濾波提取出有效反射波信號，然后對提取的反射波進行包絡(luò)計算，經(jīng)校正后，疊加出偏移成果圖。

3.1 頻譜分析

在槽波資料的處理分析中，頻譜分析是將時間域信號轉(zhuǎn)化為頻率域信號加以分析，其目的是把復(fù)雜的時間歷程波形，經(jīng)過傅立葉變換分解成若干單一諧波分量來研究。不同炮、不同地震道信號的原始信號波形及其頻散曲線如圖3所示。分析圖3可知，槽波的主要能量頻率范圍約50～300Hz，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供濾波參數(shù)依據(jù)。

圖3 頻譜分析

3.2 單炮地震記錄分析

在探測工作面槽波地震勘探中，共獲得32張單炮地震剖面記錄。P1號炮點的單炮地震記錄如圖4所示，經(jīng)過疊前數(shù)據(jù)處理后，可以看出在地震剖面記錄整體上槽波波形特征較為明顯，可清晰見到各個地震道的槽波埃里相的連續(xù)情況及其振幅、頻率特征。從圖4中可以看到，反射槽波在1～21道較為明顯，推斷在此處存在地質(zhì)異常。

圖4 第1炮反射槽波地震記錄(濾波處理后)

3.3 反射疊加剖面

經(jīng)過處理后的反射槽波疊加偏移剖面如圖5所示，從圖5中可以看到明顯的反射界面形態(tài)，說明在此處存在較明顯的波阻抗界面。分析所有單炮記錄對應(yīng)反射槽波的位置，與疊后偏移成果剖面位置相對應(yīng)。

圖5 反射槽波疊后偏移成果剖面

4 地震資料解釋評價

在實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，當區(qū)域煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無異?；蚍瓷浣缑鏁r，槽波在傳播過程中無法發(fā)生反射，即無反射槽波產(chǎn)生；當區(qū)域煤層存在異常構(gòu)造(斷層、采空區(qū)邊界等)，即煤層中存在反射界面時，槽波在異常區(qū)會發(fā)生反射，形成反射槽波，通過疊加成像可以得到較明顯的波阻抗反射界面。綜合已有地質(zhì)資料和工作面采掘資料，對槽波能量成像結(jié)果進行了合理地質(zhì)解釋，勘探工作面解釋圈定了5個異常區(qū)，分別命名為YC-1、YC-2、YC-3、YC-4、YC-5，如圖6所示。

圖6 勘探工作面反射槽波勘探地質(zhì)成果

1)YC-1異常區(qū)分布于巷道西北方向，側(cè)幫對應(yīng)21號檢波點至25號檢波點之間，距離巷道約43.7～47.3m，該反射界面走向長度約為17m，方位角約為70°～76°之間。結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場資料分析，該處反射界面可能為老窯采空區(qū)影響所致。

2)YC-2異常區(qū)分布巷道對應(yīng)3號檢波點至18號檢波點之間，距離巷道約43～47.5m，該反射界面走向長度約為60m，方位角約為45°～69°之間，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場資料分析，該處反射界面可能為老窯巷道或采空區(qū)影響所致。

3)YC-3異常區(qū)域分布于巷道東南方向，側(cè)幫對應(yīng)11號檢波點至16號檢波點之間，距離巷道約7.2～15m，該反射界面走向長度約為19m，方位角約為70°～98°之間，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場資料分析，該處反射界面可能為老窯采空區(qū)影響所致。

4)YC-4異常區(qū)域存在兩條較為明顯的反射界面，第一條反射界面分布于巷道東南方向，側(cè)幫對應(yīng)15號檢波點至30號檢波點之間，距離巷道約12～13.8m，該反射界面走向長度約為60m，方位角約為67°～71°之間；第二條反射界面分布巷道東南方向側(cè)幫對應(yīng)17號檢波點至27號檢波點之間，距離巷道約21.2～25.4m，該反射界面走向長度約為53m，方位角約為51°～70°之間；結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場記錄分析，該兩處反射界面可能為老窯巷道或采空區(qū)影響所致。

5)YC-5異常區(qū)分布于巷道東南方向，側(cè)幫對應(yīng)2號檢波點至15號檢波點之間，距離巷道約18.5～27.7m，該反射界面走向長度約為60m，方位角約為48°～64°之間，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場資料分析，該處反射界面可能為老窯巷道影響所致。

根據(jù)反射法處理得到的疊后地震剖面記錄可知，本次反射法反射槽波地震勘探段內(nèi)，存在檢波器與煤巖的耦合誤差，造成噪聲干擾，對本次反射槽波勘探影響較大。

5 現(xiàn)場驗證及應(yīng)用

本次反射槽波勘探解釋的五處異常區(qū)經(jīng)現(xiàn)場實測驗證結(jié)果如下：在巷道北側(cè)探測的兩處異常區(qū)YC-1、YC-2，已經(jīng)過鉆探得到驗證；在巷道南側(cè)探測的兩處異常區(qū)YC-4、YC-5也已經(jīng)過巷探得到驗證；另有一處YC-3異常區(qū)為假異常，為老窯巷道反射激發(fā)的槽波所導(dǎo)致。

根據(jù)本次反射槽波勘探結(jié)果對礦井井下巷道布置的設(shè)計進行了變更，即：原主副水倉、水泵房及中央變電所設(shè)計位于采區(qū)巷道東側(cè)，變更后位于采區(qū)巷道西側(cè)，該區(qū)域為本次勘探結(jié)果證實不是采空區(qū)的區(qū)域，這樣可大大減少了巖巷掘進工程量，為礦井合理規(guī)劃開采區(qū)域提供參考。

6 結(jié) 論

1)在反射槽波地震勘探技術(shù)中，合理的布置反射觀測系統(tǒng)、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集以及一系列的槽波數(shù)據(jù)處理分析都影響著探測的精度和準確率。其中，反槽波數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是濾波處理、切除干擾波、偏移疊加以及綜合地質(zhì)解釋。

2)反射槽波地震勘探技術(shù)在拓新煤礦的應(yīng)用，可以為精確劃定采空區(qū)區(qū)域及空巷提供重要資料，將二期主要硐室放在勘探已經(jīng)證實不是采空區(qū)域的煤層內(nèi)，為設(shè)計變更提供了合理依據(jù)，為合理規(guī)劃開采范圍提供了重要參考資料。