槽波反射法在探測采空異常邊界中的應(yīng)用

馬彥龍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

槽波地震方法作為礦井物探方法之一，是利用煤層中激發(fā)和傳播，探查煤層地質(zhì)異常體的一種地球物理方法，也是地震勘探的一個重要分支。 經(jīng)過近幾年的發(fā)展，槽波地震勘探可以探查斷距小于5 m 以下的斷層，長軸直徑大于15 m 以上的陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，槽波在煤層中激發(fā)后，形成的地震波傳播距離遠、分辨率高、波形易于識別、地質(zhì)信息豐富、受外界因素干擾小等優(yōu)點。

槽波地震勘探分為槽波透射法與槽波反射法。透射槽波法是在工作面的兩條巷道或切眼布置震源和接收點，即震源透過煤層傳至接收點的槽波信號進行勘探；反射槽波法主要利用在煤層中傳播的槽波遇到構(gòu)造后產(chǎn)生的反射槽波來探測側(cè)方異常構(gòu)造的發(fā)育情況，激發(fā)點與接收點均在巷道側(cè)幫布置，激發(fā)產(chǎn)生槽波后將沿煤層傳播， 當在傳播路徑上遇到斷層、陷落柱等具有波阻差異的地質(zhì)異常體時，部分槽波會發(fā)生反射，從而被與激發(fā)點在同一側(cè)巷道內(nèi)的檢波器接收到，通過繞射波偏移成像，解釋出準確的斷層位置及延展長度。

1 反射槽波原理

槽波反射法的反射槽波信號強弱至關(guān)重要，即槽波在煤層中傳播遇到煤層中的地質(zhì)異常體，就會產(chǎn)生反射槽波信號，從而被布置在巷道同一側(cè)的檢波器接收到（見圖1）。 因此，有效識別出反射槽波信號結(jié)合速度就能直接判斷出煤層地質(zhì)異常體的位置。炮點與檢波點布置在同一巷道內(nèi)，炮點穿插在排列附近。

圖1 槽波反射法勘探示意圖

2 應(yīng)用實例

2.1 工作面概況

15105 工作面地表位于火藥庫西北的山坡地帶，整體地勢為中部低四周高的中山地形。井下位于1 采區(qū)西北部，西部、北部分別距礦界90 m、98 m，東部為15101 已采工作面，南部為采區(qū)大巷。

工作面走向長度670 m，傾斜寬度100 m，可采儲量72.5 萬噸，由附近鉆孔推斷該工作面煤層較厚，約為6.8～7.2 m，厚度較穩(wěn)定。 目前，工作面正處于巷道開拓階段，回風巷、尾巷已掘，利用原軌道巷、皮帶巷，進風巷、高抽巷未掘。

2.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

本次15105 工作面反射槽波探測， 測線主要沿15105 尾巷（高抽專用回風巷、西軌道大巷）、回風聯(lián)絡(luò)巷布置炮點和檢波點。在充分研究15105 工作面周邊相關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，以急需解決的地質(zhì)任務(wù)為前提，以反射槽波的基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，確定最終的探測方案（見圖2）。

圖2 為工程布置圖

（1）采用10 m 接收道距，共布設(shè)檢波點72 個。

（2）采用15 m 炮間距，共布設(shè)激發(fā)物理點47 個。

2.3 數(shù)據(jù)分析

槽波數(shù)據(jù)處理是對槽波數(shù)據(jù)進行相關(guān)的數(shù)學(xué)分析和計算，從而提高原始槽波數(shù)據(jù)的信噪比，并從中提取與解釋目標有關(guān)的圖像及數(shù)據(jù)信息，提高勘探精度，識別地質(zhì)異常體性質(zhì)及空間位置展布情況。

圖3 S21 炮槽波記錄

從S21 炮槽波記錄（見圖3）可以看出明顯的反射槽波。

2.4 頻散分析

頻散是槽波的一大特性，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。 通過對原始槽波數(shù)據(jù)波場分析，計算出槽波的頻散曲線如圖4 所示。 從頻散曲線上看，槽波主頻在110～120 Hz 之間。

圖4 槽波頻散曲線

2.5 成果解釋

槽波的波動方程比較復(fù)雜， 目前僅有Hu 和McMechan 等人開展了將逆時偏移技術(shù)應(yīng)用于槽波的嘗試。 除此以外，尚沒有基于波動方程的偏移方法被提出或使用。 目前的反射槽波偏移成像方法仍是基于射線理論的，以繞射偏移法為主。

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，則該點上的疊加振幅為：

式中，N 為總炮數(shù)，M 為檢波器數(shù)，A(tij)是第i 個炮集中第j 道信號在tij時刻的瞬時振幅，vg是槽波群速度。 rij是P(x,y)點到第i 個震源點和第j 個接收點的距離的和。

瞬時振幅可由Hilbert 變換求出。 對于某道數(shù)據(jù)d(t)，其瞬時振幅A(t)為：

在成像的過程中，可以根據(jù)探測目標預(yù)先分析對公式(1)中的瞬時振幅加權(quán)。 比如如果分析知道斷層的大致走向或者斷層的大致位置， 則可通過成像點、激發(fā)點、 檢波點的三角關(guān)系求出反射面的方位角，由反射面方位角與預(yù)期斷層方位角的差構(gòu)成權(quán)系數(shù)，在公式(1)中對瞬時振幅加權(quán)求和。 通過這種方法能夠減少其他波場與噪聲的影響，提高特定異常構(gòu)造的成像效果。

在對反射槽波進行增強處理后， 首先采用成像算法對15105 工作面進行反射面成像， 成像結(jié)果如圖5所示。反射槽波成像結(jié)果中，靠近測線一側(cè)的條帶為采空區(qū)反射面位置，由其變化趨勢推斷采空區(qū)邊界情況。

圖5 15105 工作面反射槽波探測構(gòu)造解釋圖

3 結(jié)論

根據(jù)槽波探測成果， 成功布置了另一側(cè)巷道，實踐表明：

（1）對于工作面已掘一條巷道布置下一條巷道，反射槽波探測具有探測距離長，構(gòu)造、采空易判斷的優(yōu)點，節(jié)省了生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。

（2）由于槽波自身的頻散特性，槽波的波列隨傳播距離增大而不斷散開，振幅減弱，降低了信噪比，不利于反射信號的提取，可以用繞射波偏移算法進行成像，來提高勘探的準確度。