煤礦巷道全空間地震探測裝置及探測方法的分析

姚國峰

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500）

引言

礦井地震探測技術(shù)能提前探測掘進(jìn)巷道前方和回采工作面內(nèi)部的陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，還能探測煤厚變化區(qū)、煤層破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)等其他地質(zhì)異常，從而為煤礦提供良好的地質(zhì)保障。在地震探測現(xiàn)有技術(shù)中，在回采工作面內(nèi)側(cè)幫布置一排炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)進(jìn)行探測，缺少煤層及頂?shù)装宓炔煌疃任恢玫牡卣鸩▓鲂畔?，獲取的地震信息十分有限；在進(jìn)行工作面內(nèi)反射探測時(shí)，工作面內(nèi)部和外側(cè)的地震反射信號同時(shí)被檢波器接收到，使得在數(shù)據(jù)處理和資料解釋時(shí)，對異常區(qū)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)異常性質(zhì)判別；在進(jìn)行工作面透射地震探測時(shí)，探測器只在煤層內(nèi)的一個(gè)深度上采集地震數(shù)據(jù)，沒有采集其他垂向的地震信息，使得數(shù)據(jù)處理和解釋時(shí)缺少信息約束，有時(shí)會(huì)造成誤報(bào)、漏報(bào)或異常解釋偏差較大和異常性質(zhì)難以判定等問題。而一種井下巷道全空間地震探測裝置及探測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井巷道全空間的多波地震探測，可以在巷道內(nèi)不同層位激發(fā)和接收地震波，以獲得豐富全面的地質(zhì)信息，還可以充分利用縱波、橫波和煤層中傳播的槽波等多種地震波信息，將各個(gè)層面的綜合信息進(jìn)行多參數(shù)約束解釋，并用于地質(zhì)異常體的精細(xì)探測和性質(zhì)判別。井下巷道全空間地震探測裝置與方法充分發(fā)揮了其在探測領(lǐng)域的價(jià)值，可為煤礦安全開采提供充分可靠的指導(dǎo)信息。

1 全空間地震探測裝置的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

一種應(yīng)用于井下巷道全空間地震探測裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該裝置包括礦井地震儀主機(jī)、采集站、孔中檢波器、起爆器、數(shù)據(jù)傳輸總線、數(shù)據(jù)傳輸小線、震源觸發(fā)線等部件。

圖1 井下巷道全空間地震探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 可知，裝置中的礦井地震儀主機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸總線與采集站連接；采集站通過數(shù)據(jù)傳輸小線與孔中檢波器連接；起爆器一端通過震源觸發(fā)線與地震儀主機(jī)相連，另一端與炮孔內(nèi)炸藥相連，通過地震儀主機(jī)控制起爆器，并按照數(shù)據(jù)采集人員的要求進(jìn)行放炮；所述測點(diǎn)包括檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)，布置在巷道內(nèi)側(cè)幫和巷道外側(cè)幫上。

從圖2 可知，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)分別布置在煤層頂板、煤層和煤層底板的不同位置處；孔中檢波器安置于檢波點(diǎn)處。

圖2 工作面地震探測時(shí)各側(cè)幫的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)布置圖

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先要進(jìn)行觀測裝置設(shè)計(jì)，在巷道內(nèi)側(cè)幫和外側(cè)幫均勻布置測點(diǎn)，共布置80 個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距10 m。炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)間隔交錯(cuò)布置，炮點(diǎn)橫向間距為20 m，檢波點(diǎn)橫向間距為20 m；在巷道內(nèi)側(cè)幫垂向上布置5 組設(shè)計(jì)炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層底板下方2 m 處布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層底板上方1 m、2 m 和3 m 分別布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層頂板上方2 m 布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)；在巷道外側(cè)幫布置3 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層底板下方2 m 布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層底板上方2 m 布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，在煤層頂板上方2 m布置1 組炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)。因此，共計(jì)布置8 條測線。

采集站布置在靠近測點(diǎn)處，通過數(shù)據(jù)傳輸小線與孔中檢波器連接，同時(shí)采集本測點(diǎn)煤層、煤層頂板和煤層底板中布置的8 個(gè)孔中檢波器的地震數(shù)據(jù)，共24 道地震數(shù)據(jù)，同時(shí)采集、存儲(chǔ)并通過數(shù)據(jù)傳輸將總線與礦井地震儀主機(jī)連接。

礦井地震儀主機(jī)不僅能夠?qū)⒏鞑杉静杉臄?shù)據(jù)快速存儲(chǔ)并按照測線或測點(diǎn)組合方式實(shí)時(shí)顯示成圖，還可按照自定義數(shù)據(jù)集顯示成圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控，還能夠同時(shí)采集80 個(gè)測點(diǎn)共1 920 道地震數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下多道數(shù)據(jù)快速采集和現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控。

采集站能夠同時(shí)采集測點(diǎn)垂向和軸向不同空間位置布置的多道地震數(shù)據(jù)，還能將布置在煤層及頂?shù)装宕瓜蚝洼S向不同空間位置的數(shù)據(jù)同時(shí)采集并存儲(chǔ)。

孔中檢波器為三分量檢波器，被設(shè)置在巷道兩側(cè)幫煤層和頂?shù)装宀煌臻g位置。在數(shù)據(jù)采集時(shí)可以在巷道兩側(cè)（內(nèi)側(cè)幫和外側(cè)幫）的煤層及頂?shù)装宓牟煌臻g位置同時(shí)布置炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)，來采集巷道不同空間位置的地震信息。在具體施工時(shí)可根據(jù)探測目的和需求再進(jìn)行合理的觀測裝置設(shè)計(jì)。

1.2 特點(diǎn)分析

1）該裝置的單個(gè)采集站不僅能夠同時(shí)對巷道兩側(cè)幫的煤層及頂?shù)装宀煌臻g位置的地震波場進(jìn)行信息采集，還能夠按照設(shè)計(jì)的不同道集方式進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控，施工效率高，獲得的波場信息豐富。

2）該裝置充分利用煤礦巷道可用的有限空間，獲得巷道兩側(cè)幫的煤層及頂?shù)装宀煌臻g位置的地震波場信息，可實(shí)現(xiàn)礦井地震巷道全空間地震成像。對工作面內(nèi)部實(shí)現(xiàn)透射-反射聯(lián)合精細(xì)探測，對工作面外側(cè)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行反射探測；通過巷道內(nèi)外側(cè)反射信號走時(shí)和振幅強(qiáng)弱關(guān)系來判斷異常的發(fā)育方向和位置，從而減少巷道內(nèi)外兩側(cè)的異常體反射波對另一側(cè)地質(zhì)構(gòu)造探測的影響；基于垂向多測線數(shù)據(jù)和成像結(jié)果，利用數(shù)據(jù)特征分析法和異常交匯分析法，形成地質(zhì)異常體解釋的關(guān)鍵約束信息，從而提升異常范圍圈定精度和異常性質(zhì)判別的準(zhǔn)確度。因此，本發(fā)明能夠提供不同方位和不同垂向高度的地震信息，為準(zhǔn)確地進(jìn)行異常圈定和性質(zhì)判別等地質(zhì)解釋提供更可靠的地球物理依據(jù)。

2 全空間地震探測方法分析

該井下巷道全空間地震探測裝置的探測步驟如下：

1）根據(jù)探測目的和需求在巷道內(nèi)外側(cè)幫的煤層及頂?shù)装迳喜煌臻g位置設(shè)置測點(diǎn)。

2）根據(jù)測點(diǎn)的設(shè)置，進(jìn)行探測裝置連接，在所述測點(diǎn)上布置檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)，炮點(diǎn)內(nèi)設(shè)置炸藥，檢波點(diǎn)內(nèi)放置孔中檢波器。

3）引爆炸藥的同時(shí)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集與處理，地震數(shù)據(jù)處理包括工作面反射地震數(shù)據(jù)處理和工作面透射及反射地震數(shù)據(jù)處理。通過工作面反射地震數(shù)據(jù)處理可獲得巷道內(nèi)側(cè)幫煤層及外側(cè)幫煤層的反射地震探測成果圖，采用走時(shí)對比法和振幅對比法對所采集的巷道內(nèi)外側(cè)幫的煤層上的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反射波聯(lián)合數(shù)據(jù)處理和解釋，判斷地質(zhì)異常的發(fā)育方向和位置；通過工作面透射及反射地震數(shù)據(jù)處理對巷道內(nèi)外側(cè)幫的煤層及頂?shù)装迳喜煌瓜蚋叨鹊臏y點(diǎn)所采集的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行透射和反射地震數(shù)據(jù)分析，得到不同垂向高度的探測成果圖，并分別圈定異常范圍，形成地質(zhì)異常體解釋的關(guān)鍵約束信息。

4）獲取巷道全空間地震綜合探測成果，對尚未驗(yàn)證的探測異常區(qū)進(jìn)行解釋，最終給出準(zhǔn)確的地質(zhì)異常的圈定范圍和特征地質(zhì)信息。

3 結(jié)語

該裝置能夠獲得井下巷道全空間地震數(shù)據(jù)，充分利用井下巷道的有限空間，更準(zhǔn)確地判定探測范圍內(nèi)的地質(zhì)異常體及其性質(zhì)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)資料。