槽波反射法在探測(cè)采空區(qū)中的應(yīng)用

趙云佩，王 偉，侯獻(xiàn)華，陳 穎

（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. 中國(guó)科學(xué)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； 4. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 北京100029）

由于諸多原因, 煤礦采空區(qū)未進(jìn)行有效治理, 在地下應(yīng)力條件發(fā)生變化時(shí), 易誘發(fā)沉陷地質(zhì)災(zāi)害, 并逐漸形成沉陷區(qū), 改變了區(qū)域地表地貌等自然環(huán)境, 為礦山后期治理工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。 采空作為人類活動(dòng)產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害之一, 帶來(lái)的災(zāi)害損失與開采規(guī)模呈正比, 且探測(cè)與治理也成為世界難題[1]。 老窯采空區(qū)在充水情況下, 對(duì)周圍后續(xù)的開采工作經(jīng)常造成淹井等透水事故, 采前查明采空區(qū)范圍是保障煤礦安全施工的必要條件[2]。 我國(guó)采空區(qū)具有面積大、 資料缺失嚴(yán)重、 小采空區(qū)密集分布等特點(diǎn), 給資源整合后的煤礦生產(chǎn)與工程建設(shè)帶來(lái)了極大的安全隱患[3-5]。

目前, 探測(cè)采空區(qū)的礦井物探方法主要有無(wú)線電波坑透法、 礦井直流電法、 井下瞬變電磁法與槽波地震法等[6-10]。 通過(guò)利用煤巖和采空區(qū)的不同物性差異, 獲得異常體位置分布。 槽波地震法具有地震波在煤層中傳播距離遠(yuǎn), 異常體與煤巖彈性參數(shù)和頻散特性差異大等特點(diǎn), 可有效識(shí)別遠(yuǎn)距離異常體。 老窯采空區(qū)邊界與煤層及圍巖彈性波物性差異大、 一般不具備透射觀測(cè)條件,使用槽波反射探測(cè)方法具有明顯優(yōu)勢(shì), 結(jié)果可靠[11-20]。

河南義馬礦區(qū)小煤窯及采空區(qū)遍布整個(gè)采區(qū), 探明采空區(qū)位置能有效降低透水事故發(fā)生。 針對(duì)義馬礦區(qū)特點(diǎn), 設(shè)計(jì)煤層厚度變異條件下采空區(qū)模型, 并進(jìn)行三維數(shù)值模擬,分析煤層厚度突變條件下采空區(qū)對(duì)槽波信號(hào)的波場(chǎng)、 頻譜及頻散等特征。 通過(guò)在新安煤礦15030 工作面上巷對(duì)已采工作面15050 進(jìn)行槽波反射法探測(cè), 采用基于克?；舴蚍e分偏移方法對(duì)新安礦區(qū)15030 工作面煤層減薄帶（夾矸）及15050 采空區(qū)邊界進(jìn)行成像, 并結(jié)合已知資料, 解釋了研究區(qū)域內(nèi)煤層變化情況與采空區(qū)邊界, 為在該地區(qū)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)提供新的技術(shù)手段。

1 槽波地震反射探測(cè)方法

1.1 槽波反射法探測(cè)原理

槽波地震反射探測(cè)原理是將激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)布設(shè)在巷道同側(cè), 接收來(lái)自同側(cè)煤層內(nèi)部的反射信息。 當(dāng)激發(fā)的地震波在低速煤層介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí), 形成具有頻散特征的槽波信號(hào), 在遇到異常體時(shí), 產(chǎn)生反射槽波信號(hào),通過(guò)對(duì)槽波波場(chǎng)識(shí)別與成像處理可獲得異常體位置分布, 如圖1 所示。

將槽波探測(cè)的前方視為地下半無(wú)限空間Z, 震源與接收點(diǎn)所在巷道為自由表面。按惠更斯原理, 工作面空間內(nèi)任一點(diǎn)可形成二次震源, 因此可將波傳播空間看成由各個(gè)散射點(diǎn)組成。 波動(dòng)方程導(dǎo)出的克希霍夫偏移公式為[21]:

積分公式中第1 項(xiàng)決定于波場(chǎng)的垂向梯度, 因觀測(cè)面與Z 方向垂直, 該項(xiàng)為0, 第2項(xiàng)為近場(chǎng)源項(xiàng), 這兩項(xiàng)在地震偏移中被忽略?？紤]槽波的時(shí)變性、 與頻散性, 槽波繞射偏移離散形式為[22]:

圖1 槽波反射法勘探原理示意圖Fig. 1 Principle diagram of channel wave reflection exploration

式中:ωC-槽波的中心圓頻率； U、 c-群速度與相速度； tn＝（rn1＋rn2）/U-第n＝sm×rk個(gè)記錄道的旅行時(shí)； Pn（tn）-第n 個(gè)記錄道時(shí)刻的信號(hào)振幅； I（x,y）-偏移平面內(nèi)振幅總和。

1.2 采空區(qū)三維數(shù)值模擬

通過(guò)三維數(shù)值模擬可以研究槽波在有采空和無(wú)采空情況下煤層中的波場(chǎng)特征與頻散特性, 為正確處理解釋采空區(qū)提供理論支持。針對(duì)煤層厚度變異條件, 對(duì)有采空區(qū)與無(wú)采空區(qū)進(jìn)行了三維模擬研究（圖2, 表1、 表2）。

圖2 采空區(qū)三維模型Fig. 2 The 3D model of goaf

表1 三維模型幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of 3D model

表2 三維模型物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of 3D model

模型網(wǎng)格大小為2.0 m×2.0 m×1.0 m,模擬空間范圍300 m×200 m×50 m, 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為151×101×51 （x, y, z）； 煤層厚度沿x方向變化（0 至74 m）煤厚2 m, （76 至148 m）煤厚4 m, （150 至224 m）煤厚6 m, （226 至300 m） 煤厚8 m； 采空區(qū)設(shè)置在4 m 厚煤層區(qū)域, 激發(fā)點(diǎn)x, y, z 坐標(biāo) （244 m, 100 m,25 m）, 激發(fā)震源用150 Hz 雷克子波, 采樣率為0.1 ms, 采樣長(zhǎng)度為400 ms。

原始記錄如圖3a, 在近震源區(qū)槽波尚未形成, 隨著煤層內(nèi)直達(dá)波及在煤層內(nèi)形成的多次反射波相互干涉, 槽波能量加強(qiáng), 在薄煤層中, 槽波更明顯, 是因?yàn)槎啻尾ㄔ诿簩又袀鞑ヂ窂綔p小, 吸收衰減小所致。 在有充水采空區(qū)炮集記錄中（圖3b）, 直達(dá)槽波遇到采空區(qū)邊界與左側(cè)巷道邊界形成3 組反射槽波。

圖4 是無(wú)采空區(qū)頻譜變化情況, 隨著煤厚減薄及傳播距離增加, 頻譜中高頻成分槽波吸收衰減快。 在2 m 厚煤層內(nèi), 干涉信號(hào)頻譜增強(qiáng)。

槽波特征主要通過(guò)頻散曲線分析, 在槽波頻散曲線圖中, 橫坐標(biāo)為頻率, 縱坐標(biāo)為時(shí)間, 為分析槽波頻率與速度的關(guān)系, 將縱坐標(biāo)時(shí)間軸轉(zhuǎn)化為速度軸, 用激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離除以時(shí)間得到速度, 對(duì)同一道地震記錄, 其距離固定, 時(shí)間等間隔, 對(duì)應(yīng)的速度非等間隔, 即速度-頻率域內(nèi)頻散曲線中速度值不等間隔標(biāo)注。 圖5 中可以看出在相同厚度煤層內(nèi), 隨著地震波傳播距離的增加, 頻散波受直達(dá)波的影響減小, 槽波頻散特征增強(qiáng), 且埃里相位速度隨之增大, 因此在煤層厚度一致情況下, 傳播距離也可以影響頻散曲線的形態(tài)。 圖6 中可以看出, 隨著煤層厚度增加, 埃里相位向低頻低速方向移動(dòng), 與理論頻散曲線一致。圖7 是有采空區(qū)反射地震記錄頻散圖, 從圖中可以看出, 來(lái)自采空區(qū)的反射槽波波速穩(wěn)定（頻散曲線形態(tài)近似）, 因按照直達(dá)波距離計(jì)算, 未考慮反射路徑, 反射槽波視速度顯示偏低, 且圖7（a、 b、 c）縱坐標(biāo)速度值不一致。

2 采空區(qū)反射法探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

2.1 探測(cè)區(qū)概況

圖3 三維模型炮集記錄 （震源在8 m 厚煤層中激發(fā)）Fig. 3 The 3D model of shot gather recording （source in middle of 8 m coal seam）

新安煤田位于新安煤田淺部, 開采二疊系山西組煤層, 井田面積約50.3 km2, 煤種屬貧瘦煤。 新安煤礦東翼部分位于小浪底水庫(kù)下方, 導(dǎo)致小煤礦采空區(qū)與水庫(kù)水連成一體, 嚴(yán)重威脅新安礦安全生產(chǎn)。 自投產(chǎn)以來(lái), 新安礦發(fā)生多次涌（突）水情況, 其中來(lái)自采空區(qū)突水超過(guò)十次, 占總突水次數(shù)的一半。 東翼采空區(qū)積水是新安礦水害防治的關(guān)鍵。

本次探測(cè)小窯采空區(qū)位于15 采區(qū)的15050 工作面（由15030 工作面上巷下幫探測(cè)采空區(qū)）。 測(cè)區(qū)平均埋深245 m。 煤層賦存不穩(wěn)定, 煤厚1.1～5.6 m。 煤層傾角約5°, 呈粉狀, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 不含夾矸。 煤層偽頂局部發(fā)育, 為炭質(zhì)泥巖； 直接頂下段為泥巖, 平均厚度2.2 m, 上段為中粒石英砂巖, 平均厚度10 m； 直接底為砂質(zhì)泥巖, 平均厚度4.2 m。

圖4 三維模型無(wú)采空區(qū)不同傳播距離及煤厚頻譜 （每條曲線為不同接收點(diǎn)數(shù)據(jù)歸一化頻譜）Fig. 4 Propagation distance and coal thickness frequency spectrum 3D model without goaf of model （Each curve is normalized amplitude-frequency spectrum）

圖5 煤層厚度4 m 無(wú)采空區(qū)頻散圖Fig. 5 Dispersion curves for 4 m coal thickness without goaf

圖6 煤層厚度變化條件下頻散圖Fig. 6 Dispersion curves of coal thickness with variation

圖7 含反射槽波頻散圖 （x 方向150 至224 m, 煤層厚度6 m）Fig. 7 Dispersion including reflection channel wave （x values from 150 to 224 m, coal thinkness 6 m）

2.2 反射法探測(cè)施工

為驗(yàn)證已采區(qū)是否充水及頂板塌陷,在15030 工作面進(jìn)行井下地震反射法探測(cè)工作, 相鄰已采工作面15050（相距150 m）, 在上巷下幫布置激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn), 19 炮激發(fā),炮間距20 m, 15 個(gè)雙分量檢波器接收, 接收點(diǎn)間距20 m, 最小偏移距10 m, 鉆孔深度2 m, 測(cè)線總長(zhǎng)380 m, 震源為乳化炸藥,200 g/炮, 采集儀器為SUMMIT ⅡEX 型槽波地震儀, 其檢波器為水平雙分量, 瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍≥120 dB, 能夠高保真地記錄所有的反射槽波信號(hào)。 激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)位置如圖8所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析

原始炮集記錄如圖9a 所示, 對(duì)所有炮集記錄各道拾取P、 S 波初至?xí)r間, 并根據(jù)任意兩道之間的距離, 獲得多個(gè)直達(dá)波速度（在EXCEL 表中將任一炮各道偏移距由小到大進(jìn)行橫向及縱向排列, 兩兩組合得到任意2 道之間距離, 然后將任意兩道初至?xí)r差填寫對(duì)應(yīng)的偏移距位置, 兩組值相除得到速度）, 然后對(duì)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類, 發(fā)現(xiàn)地震波速度分為三個(gè)區(qū)間, 速度分為三部分, v中＞v右＞v左；圍巖P 波速度4～4.4 km/s； 圍巖S 波速度2.4～2.6 km/s； 縱橫波波速比平均為1.75； 泊松比平均為0.256。 在近偏移距未形成直達(dá)槽波, 存在槽波盲區(qū), 從槽波形成原理可知,此槽波盲區(qū)與折射盲區(qū)類似； 另外, 當(dāng)斷層或異常體距觀測(cè)線很近且近于平行時(shí), 直達(dá)槽波與反射槽波旅行時(shí)在一個(gè)包絡(luò)范圍內(nèi),則從時(shí)間域不能區(qū)分直達(dá)槽波和反射槽波,存在干擾探測(cè)盲區(qū), 在共中心點(diǎn)道集動(dòng)校正疊加成像剖面結(jié)果中, 靠近觀測(cè)巷道常常產(chǎn)生 “斷層” 同相軸, 可根據(jù)反射槽波與直達(dá)槽波時(shí)距曲線時(shí)差最大接收到數(shù)據(jù)對(duì) “斷層”做出可靠解釋。 通過(guò)炮集記錄分析獲得該工區(qū)內(nèi)主要頻帶為30～250 Hz, 槽波信號(hào)主頻為100 Hz 以上（圖9b）。

以圍巖P 波速度4 300 m/s、 圍巖S 波速度2 400 m/s、 煤層P 波速度2 100 m/s、 煤層S 波速度1 200 m/s、 測(cè)線距采空區(qū)距離150 m 為參數(shù), 在第4 炮位置觀測(cè)系統(tǒng)獲得直達(dá)波與反射波時(shí)距曲線, 如圖10 所示, 與原始記錄（圖9a）對(duì)比可識(shí)別來(lái)自采空區(qū)轉(zhuǎn)換S 波及反射S 波震相。 同時(shí)發(fā)現(xiàn)在反射波與直達(dá)波存在交叉部分, 其振幅明顯增強(qiáng)。

2.4 頻散分析

圖8 15030 工作面示意圖Fig. 8 Schematic diagram of Working face 15030

圖9 第4 炮集記錄（a）及頻譜（b）Fig. 9 Gather recording （a） and spectrum （b） for Shot 4

提取第4 炮第2、 7、 15 接收點(diǎn)X 分量頻散曲線（圖11）。 從頻散曲線中可以看出直達(dá)槽波埃里相位速變化情況: vb＞va＞vc, 與圍巖速度分布一致, 這與煤層厚度變化有關(guān),速度與厚度成反比關(guān)系； 在遠(yuǎn)偏移距頻散曲線中反射槽波能量加強(qiáng), 視速度低于直達(dá)波速度。 在圖11 中, 速度是隨著偏移距與時(shí)間不等間隔變化的, 圖中白色橫線對(duì)應(yīng)埃里相位速度, 白色縱線對(duì)應(yīng)埃里相位頻率。

2.5 偏移成像與解釋

采用基于克?；舴蚍e分類偏移方法對(duì)義馬新安礦區(qū)15030 工作面煤層減薄帶 （夾矸）及采空區(qū)邊界進(jìn)行成像, 探測(cè)結(jié)果如圖12 所示: 成像范圍內(nèi)中幅值區(qū)域?yàn)槊簩訙p薄帶,與巷道揭露地質(zhì)情況一致； 已采資料顯示,在下幫150 m 處為采空區(qū), 在成像結(jié)果中,距離下幫150 m 處存在近平行于巷道異常反射區(qū)域, 但反射界面不規(guī)則, 且明顯分為兩部分, 結(jié)合減薄帶資料, 將左側(cè)解釋為頂板塌陷區(qū), 右側(cè)為頂板未塌陷區(qū)； 成像區(qū)域內(nèi)中低幅值區(qū)為煤層穩(wěn)定區(qū)。

圖10 第4 炮理論時(shí)距曲線Fig. 10 Theoretical time curves for Shot 4

圖11 第4 炮中第2、 7、 15 道頻散圖Fig. 11 Dispersion curves of channels 2， 7 and 15 for Shot 4

圖12 偏移結(jié)果（a）和解釋結(jié)果（b）Fig. 12 Migration results （a） and interpretation results （b）

3 結(jié)論

1） 槽波在近震源區(qū)存在干涉盲區(qū), 盲區(qū)范圍與折射盲區(qū)相似, 增加了對(duì)近測(cè)線探測(cè)盲區(qū)范圍內(nèi)異常體識(shí)別難度。

2） 速度與煤層厚度成反比關(guān)系, 厚煤層頻譜頻帶寬, 埃里相位頻率低, 薄煤層頻譜頻帶窄, 埃里相位頻率高； 相同煤層條件下,隨著地震波傳播距離的增加, 頻散波受直達(dá)波的影響減小, 槽波頻散特性增強(qiáng)。

3） 來(lái)自采空區(qū)反射槽波頻散特征一致性好、 穩(wěn)定, 其反射波組有利于通過(guò)偏移成像結(jié)果識(shí)別采空區(qū)邊界； 克?；舴蚱瞥上穹椒? 不僅適用于煤層厚度變化條件下反射槽波探測(cè), 而且能夠?qū)Σ煽諈^(qū)邊界能夠準(zhǔn)確成像。