趙云佩，王 偉，侯獻(xiàn)華

基于克?；舴蚱频牟鄄ǔ疤綔y(cè)方法及應(yīng)用

趙云佩1，王 偉2，侯獻(xiàn)華3

(1. 冀中能源邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000；2. 中科院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 自然資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

為查明邢臺(tái)礦區(qū)葛泉礦1199工作面掘進(jìn)巷前方地質(zhì)構(gòu)造，采用井下槽波地震進(jìn)行超前探測(cè)，用線性拉東變換提取來自巷道前方的反射波，在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行速度分析獲得圍巖參數(shù)信息，通過克希霍夫偏移對(duì)巷道前方地質(zhì)異常體成像。結(jié)果顯示，掘進(jìn)巷前方距離G12檢波點(diǎn)205 m與237 m存在異常，分別對(duì)應(yīng)采空巷道與SF4斷層；通過速度分析提取速度參數(shù)，初步判斷SF4含水。鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明，克?；舴蚱品椒軐?duì)掘進(jìn)巷前方斷層異常體進(jìn)行成像。

槽波；頻散分析；超前探測(cè)；克?；舴蚱品椒ǎ恍吓_(tái)礦區(qū)葛泉礦

煤礦巷道掘進(jìn)過程中，要求掘前必須探明前方異常，鉆探方法探測(cè)的成本較高，若采用槽波法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，在異常區(qū)利用少量鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，不僅提高工作效率，還可以降低成本。槽波是沿著煤層傳播的一種導(dǎo)波，因上下圍巖地震波速度高于煤層內(nèi)地震波速度[1-5]，煤層內(nèi)地震波向上下圍巖輻射傳播時(shí)，超過臨界角，地震波發(fā)生全反射，并且部分頻率的全反射波在煤層內(nèi)發(fā)生相長(zhǎng)干涉現(xiàn)象，并向前傳播，具有頻散特征[6-11]。

20世紀(jì)70年代，德國(guó)與英國(guó)合作，首先提出將礦井槽波探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到隧道超前探測(cè)工作中，并取得了一定的成果[12-14]。瑞士的Amberg公司隨后利用地震反射波探測(cè)原理，研制開發(fā)了第一套完整的超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)TSP(Tunnel Seismic Prediction)，目前該系統(tǒng)升級(jí)為TSP-303，因該儀器由鐵路系統(tǒng)首先引進(jìn)并推廣，在鐵路隧道預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用[15]。

國(guó)內(nèi)煤炭井下槽波超前探測(cè)工作源于鐵路隧道地震波法超前預(yù)報(bào)技術(shù)。而我國(guó)的鐵路隧道地震波法超前預(yù)報(bào)工作開展較晚，在經(jīng)歷學(xué)習(xí)、理解、創(chuàng)新過程后，鐵路隧道地震波法超前預(yù)報(bào)技術(shù)與儀器取得重要進(jìn)展[16]?；谥边_(dá)波走時(shí)曲線和反射波走時(shí)曲線成反八字型、且相位延伸線交點(diǎn)位于構(gòu)造面的位置，曾昭璜[17]在高信噪比數(shù)據(jù)前提下提出負(fù)視速度法，該方法在圍巖速度差異小，直觀有效。中國(guó)科學(xué)院及相關(guān)高校在借鑒醫(yī)學(xué)上的CT成像技術(shù)[18]、VSP測(cè)井技術(shù)[19]、多波多分量技術(shù)[20]等多種地球物理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的隧道與礦井地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并在超前預(yù)報(bào)中取得實(shí)用效果。

隨著槽波地震探測(cè)儀器硬件與處理解釋軟件技術(shù)的發(fā)展，超前探測(cè)的距離、分辨率和精度不斷提高[21-24]，其探測(cè)儀器向智能化、抗干擾能力強(qiáng)方向發(fā)展[25]。

探測(cè)掘進(jìn)巷道前方斷層構(gòu)造要素是解決煤礦安全生產(chǎn)的重要地質(zhì)問題。超前探測(cè)不僅要查明斷層位置，也要查明斷層含水性。本文利用克?；舴蚍e分偏移成像獲得迎頭前方斷層位置；通過速度分析獲得圍巖與煤層速度信息，為掘進(jìn)生產(chǎn)提供斷層構(gòu)造詳細(xì)的地球物理參數(shù)，并應(yīng)用在邢臺(tái)礦區(qū)葛泉礦1199工作面的井下槽波地震勘探中。

1 方法原理

1.1 超前預(yù)報(bào)工作原理

在靠近掌子面(迎頭)位置布置多個(gè)震源，一般在震源孔中放入一定量的炸藥，炸藥爆炸時(shí)會(huì)激發(fā)地震波并向四周傳播，在遠(yuǎn)離迎頭位置布置檢波器接收地震波。地震波在向四周擴(kuò)散傳播過程中，檢波器首先接收的是向后傳播的直達(dá)P波，其次是向前方傳播的波遇到反射界面回傳到接收點(diǎn)的反射波，在反射界面同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波。下面結(jié)合模型說明提取反射波與成像原理(圖1)。

1.2 模型

圖1中有2個(gè)巖性界面，巖石縱波、橫波、密度參數(shù)如圖中所示。模型由3種不同巖性組成，其彈性波參數(shù)分別為：介質(zhì)1，p=3 800 m/s，s=2 000 m/s，=2 000 kg/m3；介質(zhì)2，p=4 200 m/s，s= 2 200m/s，=2 300 kg/m3；介質(zhì)3，p=4 500 m/s，s=2 550 m/s，=2 500 kg/m3，介質(zhì)1與介質(zhì)2界面傾角60°，介質(zhì)2與介質(zhì)3界面傾角為80°，網(wǎng)格剖分1 m×1 m，模型大小500 m×400 m，采用高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分?jǐn)?shù)值模擬。共接收點(diǎn)道集波場(chǎng)如圖2所示：反射P1為模型中第1個(gè)傾角60°界面產(chǎn)生的反射P波，反射S1為模型中第1個(gè)傾角60°界面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換S波；反射P2為模型中第2個(gè)傾角80°界面產(chǎn)生的反射P波，反射S2為模型中第2個(gè)傾角80°界面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換S波。利用線性拉東變換提取來自掘進(jìn)巷道前方的反射波，對(duì)反射波進(jìn)行常速度掃描分析，其原理是給定一個(gè)常速度，計(jì)算巷道正前方進(jìn)網(wǎng)格剖分點(diǎn)上的反射波旅行時(shí)，并將地震道對(duì)應(yīng)振幅值放置在以接收點(diǎn)、激發(fā)點(diǎn)、網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成的橢圓上，按照這一原則對(duì)給定的區(qū)間速度進(jìn)行掃描計(jì)算。當(dāng)速度接近介質(zhì)速度時(shí)，反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旅行時(shí)位于地震記錄反射同相軸上，其振幅值最大，從而得到該網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的均方根速度；在時(shí)間域內(nèi)實(shí)現(xiàn)速度掃描獲得均方根速度：以最大偏移距雙程反射時(shí)間為截距，以速度倒數(shù)為斜率，沿直線方向?qū)⒏鞯老鄳?yīng)振幅求和，并將求和振幅值放置在速度–時(shí)間域平面內(nèi)，當(dāng)搜索的直線路徑與反射同相軸一致時(shí)，該速度–雙程時(shí)間對(duì)應(yīng)的求和振幅值最大，從而獲得雙程旅行時(shí)對(duì)應(yīng)的均方根速度(探測(cè)距離在150 m內(nèi)及斷層面與巷道軸線夾角在60°~90°時(shí)反射同相軸為直線)；通過拾取速度譜獲得巷道前方煤層及煤層異常體的P、S波速度；最后利用克?；舴蚍e分偏移獲得巷道前方異常體成像信息。

圖1 地震波法超前預(yù)報(bào)剖面模型圖

圖2 模型共接收點(diǎn)道集記錄

1.3 克希霍夫積分偏移

將掘進(jìn)前方任意一點(diǎn)看成反射點(diǎn)，以接收點(diǎn)R、激發(fā)點(diǎn)R為焦點(diǎn)，以接收點(diǎn)R、激發(fā)點(diǎn)R到反射點(diǎn)距離和為等長(zhǎng)形成橢圓(圖3)。假設(shè)給定的速度模型與實(shí)際速度一致時(shí)，將相對(duì)應(yīng)旅行時(shí)振幅分布在橢圓上，當(dāng)考慮反射波角度、傳播距離、相位因素時(shí)，對(duì)振幅進(jìn)行傾角校正、距離校正、相位校正，將校正后的振幅分布在橢圓上，這種將振幅校正并按照橢圓分布?xì)w位方法即為克?；舴蚍e分偏移。對(duì)所有數(shù)據(jù)按照上述原則將相應(yīng)的振幅校正后沿著各自的橢圓分布，在反射點(diǎn)處將形成相長(zhǎng)干涉，振幅同相疊加達(dá)最大值，在非反射點(diǎn)不發(fā)生相長(zhǎng)干涉，振幅值非同相疊加。對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行上述振幅校正，并沿橢圓分布，獲得前方成像結(jié)果，任意一點(diǎn)振幅歸位求和數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)。

圖3 克希霍夫偏移

模型數(shù)據(jù)克?；舴蚱平Y(jié)果如圖4所示，巖層分界面與成像反射弧相切。

圖4 模型數(shù)據(jù)偏移結(jié)果

2 工程實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

葛泉礦1199工區(qū)屬于邯邢煤田，位于太行山隆起帶與華北沉降區(qū)的過渡地帶。據(jù)已知鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)由老至新發(fā)育奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層。井田范圍內(nèi)地表全被新生界第四系松散沉積層覆蓋，第四系與下伏地層呈不整合接觸。

井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系、二疊系地層，即二疊系下統(tǒng)山西組(P1)、石炭–二疊系太原組(C2–P1)和石炭系上統(tǒng)本溪組(C2)，總共含煤13~14層，其中可采及局部可采煤層6層。

井田范圍內(nèi)斷層走向以NNE—NE最為發(fā)育，多為高角度正斷層。根據(jù)井田三維地震及鉆探資料共解釋斷層53條，其中落差大于30 m的斷層8條，占13.5%；落差在10~30 m的斷層12條，占23.1%；落差在5~10 m的斷層14條，占26.9%；落差小于5 m的斷層有19條，占36.5%。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)

斷層探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)平面圖如圖5 所示，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)激發(fā)點(diǎn)，左右?guī)途植?個(gè)激發(fā)點(diǎn)，間距20 m，藥量為100 g，炮孔深2 m；檢波點(diǎn)間距5 m，布設(shè)12個(gè)檢波器，最小炮檢距50 m和70 m。

地震勘探數(shù)據(jù)處理采用TSP-SK地震數(shù)據(jù)處理軟件，處理主要步驟：定義觀測(cè)系統(tǒng)、初至拾取、炮時(shí)基校正、能量均衡、擴(kuò)散補(bǔ)償、帶通濾波、反Q濾波、反射波提取、波場(chǎng)分離、速度分析、偏移成像、巖石參數(shù)與反射信息提取。

圖5 葛泉礦東井觀測(cè)系統(tǒng)圖

2.3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

在葛泉礦區(qū)進(jìn)行的井下超前探測(cè)施工條件較好，從原始共接收點(diǎn)地震記錄看，圍巖直達(dá)P波速度約4 500 m/s，煤層直達(dá)P波速度約2 750 m/s，圍巖直達(dá)S波速度約2 350 m/s，煤層直達(dá)S波速度約為1 650 m/s、直達(dá)槽波波速約為900 m/s，各組直達(dá)波同相軸連續(xù)性較好、初至呈線性分布、各道能量一致性好(圖6)，從總體上看地震數(shù)據(jù)可靠、質(zhì)量較好。

用線性拉東變換方法提取前方反射波，見圖7，在小偏移距及反射面與巷道軸向夾角大于60°條件下，反射波時(shí)距曲線為線性同相軸分布。按照時(shí)間域速度分析方法獲得速度譜并計(jì)算相應(yīng)層速度，如圖8所示。圖8a 為P波速度譜，圖8b為S波速度譜，圖8c為拾取的均方根速度換算的層速度。圖8b、圖8c中坐標(biāo)起止點(diǎn)0 m坐標(biāo)位置為圖5中G12檢波點(diǎn)位置。

圖6 S1炮x分量記錄與直達(dá)波速度分析

圖7 炮集數(shù)據(jù)與反射波提取

圖8 速度譜與速度參數(shù)

圖9a為葛泉礦東井試驗(yàn)偏移成像結(jié)果圖，本次試驗(yàn)探測(cè)目標(biāo)為掘進(jìn)巷道前方SF4斷層。在偏移結(jié)果中顯示了探測(cè)范圍內(nèi)煤層各處的地震波振幅大小，正相位振幅越大、對(duì)應(yīng)區(qū)域顏色越偏紅色，表示附近存在地質(zhì)構(gòu)造正異常體(如斷層)的幾率越大；反之負(fù)相位振幅越大、對(duì)應(yīng)區(qū)域顏色越偏深藍(lán)色，表示附近存在地質(zhì)構(gòu)造負(fù)異常體(如巷道)的幾率越大?？讼；舴蚱瞥上穹ㄌ幚斫Y(jié)果顯示，探測(cè)范圍內(nèi)有多個(gè)正負(fù)振幅組成的反射弧，分別對(duì)應(yīng)于不同的反射波組。

2.4 綜合解釋

根據(jù)波速變化與成像結(jié)果(地震波法)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)前方異常體識(shí)別具有如下規(guī)律[26]：a.反射振幅高低與界面反射系數(shù)或前后圍巖波阻抗大小正相關(guān)；b.正反射系數(shù)表示波速增加、巖性剛性變強(qiáng)，負(fù)反射系數(shù)表示波速降低，巖性剛性變?nèi)?；c. 波速比或者泊松比突然增大，表示圍巖流體存在；d. 相同圍巖內(nèi)縱波波速下降，表示圍巖節(jié)理發(fā)育或孔隙度增加。

鉆探驗(yàn)證孔揭露斷層F4位置。鉆孔位于巷道迎頭位置。鉆探1孔方位角315°，傾角–18°，孔深89.5 m，未見斷層；鉆探2孔方位角335°，傾角–18°，孔深76.1 m，見斷層；鉆探3孔方位角22°，傾角–18°，孔深81.5 m，見斷層。圖9中坐標(biāo)205 m(參考點(diǎn)0 m為G12檢波點(diǎn))附近為巷道反射，顯示為負(fù)反射與實(shí)際巷道反射一致，在237 m附近為斷層，顯示正強(qiáng)反射，與鉆探揭示斷層位置一致。237 m附近斷層走向垂直于巷道，與SF4斷層一致。斷層反射處縱橫波波速增大，同時(shí)波速比增加，表明SF4含水。

3 結(jié) 論

a. 井下超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集受觀測(cè)空間的限制，排列短、觀測(cè)系統(tǒng)不規(guī)則，且對(duì)地質(zhì)目標(biāo)體成像精度要求高?？讼；舴蚱瞥上穹椒ú粌H適用于非規(guī)則采集的數(shù)據(jù)體，而且能夠?qū)η胺疆惓ｓw準(zhǔn)確成像。

b. 通過速度分析提取P、S波速度及波速比，為識(shí)別異常體及判斷異常體性質(zhì)提供了一種有效手段。

c. 本次超前探測(cè)解釋只利用了巷道前方反射波信息，而井下全空間波場(chǎng)成像與分析可提高井下槽波超前預(yù)報(bào)，解決煤礦更多地質(zhì)問題。該技術(shù)是進(jìn)一步研究方向。

圖9 葛泉礦東井試驗(yàn)綜合解釋成果圖：(a) 偏移結(jié)果；(b) 工區(qū)圖(黑色線為斷層和巷道異常位置)

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Channel wave advanced detection method based on Kirchhoff migration and its application

ZHAO Yunpei1, WANG Wei2, HOU Xianhua3

(1. Jizhong Energy Xingtai Mining Group Co., Ltd., Xingtai 054000, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China; 3. MNR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China)

In order to detect the geological structures in the front of the working face 1199 in Gequan mine of Xingtai mining area, underground channel wave seismic exploration was used to conduct advanced detection, linear Radon transform was used to extract the reflection wave from the front of the roadway, parameter information of the surrounding rocks were obtained through velocity analysis in time domain, The abnormal geological bodies in the front of the roadway were imaged through Kirchhoff migration. The results indicated that there existed anomalies at 205 m and 237 m away from the geophone point G12 in the front of the excavating roadway, corresponding to the mined-out roadway and the fault SF4 respectively; The velocity parameters were extracted through velocity analysis, it was judged preliminarily that SF4 was water-bearing. The drilling verification results showed that Kirchhoff migration method can image the faults in front of the roadway.

channel wave; dispersion analysis; advanced detection; Kirchhoff migration; Gequan mine of Xingtai mining area

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.028

1001-1986(2019)04-0186-07

2019-01-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0602802)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41790443，41641040)；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃海洋資源開發(fā)利用與社會(huì)事業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(18275408D)

National Key R&D Program of China(2017YFC0602802)；National Natural Science Foundation of China(41790443，41641040)；Development and Utilization of Marine Resources and Special Projects for Social Undertakings Under Key R&D Programs in Hebei Province (18275408D)

趙云佩，1965年生，男，河北武安人，碩士，高級(jí)工程師，從事礦井采掘技術(shù)研究與管理工作. E-mail：752071261@qq.com

王偉，1972年生，男，河北涿州人，副研究員，研究生導(dǎo)師，博士，從事地球物理工作. E-mail：wang_wei@lreis.ac.cn

趙云佩，王偉，侯獻(xiàn)華. 基于克?；舴蚱频牟鄄ǔ疤綔y(cè)方法及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：186–192.

ZHAO Yunpei，WANG Wei，HOU Xianhua. Channel wave advanced detection method based on Kirchhoff migration and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：186–192.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)