槽波地震探測在厚煤層工作面的巷道響應(yīng)分析

賈晉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西西安 710077)

槽波地震探測屬于地震勘探的一個分支，是煤礦井構(gòu)造探查的一種地球物理方法。伴隨著槽波地震數(shù)據(jù)處理[1-2]、波場模擬[3-5]和成像算法[6-7]等技術(shù)發(fā)展，槽波地震探測在礦井構(gòu)造探查應(yīng)用已不局限于傳統(tǒng)的透射、反射槽波探測，利用超前槽波地震方法探測巷道掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)異常構(gòu)造也開始被推廣應(yīng)用[2,8-9]。該項技術(shù)對地質(zhì)問題的解決也已不局限于對礦井煤層中斷層、陷落柱、撓曲等地質(zhì)異常體的探查，采空巷道、煤層厚度[10]、瓦斯富集區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)[11]的探查也得到了應(yīng)用，且對常規(guī)構(gòu)造探查精度要求也變得更高。依據(jù)已有地質(zhì)資料及施工條件，如何獲取更多槽波數(shù)據(jù)處理解釋依據(jù)變得尤為重要。該文選定陜北榆神礦區(qū)某礦簡單構(gòu)造厚煤層工作面開展槽波探測應(yīng)用，探尋槽波對礦井工作面布設(shè)的多方位巷道響應(yīng)特征，為后期復(fù)雜工況礦井的槽波探測設(shè)計提供參考，作為挖掘槽波數(shù)據(jù)處理與解釋的參數(shù)依據(jù)。

1 礦井槽波地震探測

礦井槽波地震探測技術(shù)是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性的—種地球物理方法，可以探查斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，具有探測距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征易于識別以及最終成果直觀的優(yōu)點，在探測精度和距離上優(yōu)于坑透等煤礦井下探測方法，目前主要有透射槽波法和反射槽波法兩種有效應(yīng)用形式[12]。

圖1 槽波透射法探測射線追蹤示意

反射槽波法是將激發(fā)點與接收點布置在同一巷道內(nèi)，利用槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體，即遇到了地震波的波阻抗（速度和密度差異）的分界面，就會產(chǎn)生反射槽波信號，通過識別出這些有效反射槽波信號就能判斷出煤層不連續(xù)的位置，如圖2所示。反射槽波偏移成像方法為當(dāng)前反射槽波地震探測技術(shù)主要方法[2]，工程應(yīng)用中利用同一巷道可向兩側(cè)進(jìn)行探測，同時在已完成掘進(jìn)工作面采用雙邊反射可以對平行巷道的不連續(xù)體位置精細(xì)界定，以滿足礦井工作面掘進(jìn)不同時期的探測需求。在實際工程應(yīng)用探測中，透射槽波法與反射槽波法被同時應(yīng)用，兩種方法的成果在數(shù)據(jù)處理及解釋相互佐證并進(jìn)行處理參數(shù)優(yōu)化，很大程度上提高了工作面探測精度。

圖2 槽波反射法探測射線追蹤示意

超前槽波地震探測是常規(guī)槽波勘探施工工藝的進(jìn)步和發(fā)展，將激發(fā)點與接收點布置在獨頭巷道，經(jīng)常結(jié)合深孔檢波器和巷道兩側(cè)的檢波器，形成T 字形接收面。通過獨頭巷道兩側(cè)放炮激發(fā)，地震波在遇到迎頭側(cè)前方的異常構(gòu)造時，反射波信號被T 字形接收面接收，通過識別出這些有效反射槽波信號就能判斷出獨頭巷道側(cè)前方煤層異常的位置，如圖3 所示。隨著我國智能化礦井建設(shè)，“透明化工作面”被廣泛關(guān)注，工作面隱伏構(gòu)造探查將作為其重要部分[13]。槽波地震超前探測、隨采、隨掘探測技術(shù)在透明化工作面的地質(zhì)探查中將不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用[9]。

圖3 槽波超前探測射線追蹤示意圖

2 探測應(yīng)用實例

2.1 概況

陜北榆神礦區(qū)某礦30109 工作面作為研究實例，該工作面主采延安組3號煤層，走向長度4 300 m，傾向?qū)挾?00 m。直接頂板為粉砂巖、泥巖，少量細(xì)-粗粒長石砂巖，平均厚度28.0 m；直接底板為粉砂巖、泥巖，少量細(xì)-粗砂巖、炭質(zhì)泥巖，平均厚度25.0 m。根據(jù)礦方地質(zhì)及巷道揭露資料，探測區(qū)煤層厚度8.2～9.7 m，平均8.36 m。煤層整體層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装鍘r性與煤層物性（密度、速度）差異明顯，波阻抗差異大，探測區(qū)內(nèi)回采里程323～578 m存在二維地震勘探預(yù)測斷點，整體地質(zhì)構(gòu)造簡單，非常適合槽波反演煤層采空巷道響應(yīng)研究。

2.2 觀測系統(tǒng)布置

工作面探測范圍為回采里程0～1 030 m，測線總長度為2 060 m（見圖4）。根據(jù)工作面巷道情況及層析成像射線均勻分布等原則設(shè)計輔運順槽、膠運順槽接收點道距為10 m，共布設(shè)207 個，圖中三角形點（）；激發(fā)點距20 m，共布設(shè)104個，圖中圓形點（）。選擇采樣間隔0.25 ms，記錄時長2 s采集。

圖4 工作面槽波探測施工布置圖

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理分析

數(shù)據(jù)采集共記錄有效單炮104個，單炮信噪比高，射線均勻覆蓋整個探測區(qū)域。

工作面圍巖與煤層具體參數(shù)如表1所示。圖5（a）為此次探測采集數(shù)據(jù)中激發(fā)點S35，接收道R11～R246記錄到的共炮點原始記錄數(shù)據(jù)。記錄中可清晰顯示3個波組，分別是順圍巖傳播的折射縱波、折射橫波以及順煤層傳播的槽波，可以看出槽波數(shù)據(jù)質(zhì)量極高，能量明顯遠(yuǎn)強(qiáng)于縱波與橫波能量。提取記錄中速度信息，可得到順圍巖傳播的折射縱波、折射橫波速度分別為4 300 m/s、1 800 m/s。計算槽波頻散曲線見圖5（b），槽波能量集中在埃里相附近，得出槽波主頻率為90～200 Hz，速度為950 m/s。

表1 工作面圍巖與煤層參數(shù)表

圖5 槽波單炮S35記錄及頻散分析

2.4 反演成像與解釋

對原始單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，如圖6所示，實際數(shù)據(jù)中雖包含各種頻率的噪聲，但與槽波群速度差異較大，對槽波速度層析成像影響較小。

圖6 濾波前后槽波單炮記錄

基于地震波衰減層析成像理論，采用透射槽波衰減系數(shù)成像進(jìn)行透射成像，設(shè)槽波品質(zhì)因子為Qc，平面諧波振幅基于煤層的黏滯衰減關(guān)系為

式中，αc為頻率f對應(yīng)的衰減系數(shù)，αs為介質(zhì)吸收、煤層、構(gòu)造導(dǎo)致的反射和繞射等影響下的衰減系數(shù)，vc為頻率f對應(yīng)的槽波相速度[7]。

按照探測區(qū)大小建立一個X 方向1 030 m，Y 方向300 m 的模型，網(wǎng)格大小為3 m×3 m。依據(jù)透射槽波射線能量進(jìn)行成像，如圖7（a）所示，CT 成像顯示探測區(qū)域無能量異常，透射槽波正常穿透，單炮記錄如圖7（b）所示。

圖7 透射成像及單炮記錄示意

式中，N為總炮數(shù)；M為檢波器數(shù)；A（tij）為第i 個炮集中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅；rij為P（x，y）點到第i個震源點和第j個接收點的距離的和[2]。

首先，建立輔運順槽進(jìn)行反射槽波模型，X 方向1 100 m，Y方向520 m的模型，參照公式反演成像見圖8（a）；建立輔運順槽進(jìn)行反射槽波模型，X方向1 100 m，Y方向520 m 的模型，參照公式反演成像見圖8（b）。圖中淺灰色（暖色）區(qū)域代表槽波受到阻擋形成反射，兩順槽CDM 成像圖表明反射槽波對兩順槽反映較強(qiáng)，工作面內(nèi)無明顯構(gòu)造發(fā)育，成像對工作面外距離約30 m 處臨近采空巷道有顯示，單炮記錄反射槽波如圖8（c）、圖8（d）所示。

圖8 反射成像及單炮記錄示意

綜合透射、反射槽波探測成果，排除目標(biāo)探測區(qū)內(nèi)發(fā)育二維地震斷點，后經(jīng)礦方回采證實目標(biāo)區(qū)煤層破碎，無斷層發(fā)育。同時反射槽波對工作面內(nèi)及臨近工作面采空巷道的明顯響應(yīng)，證實了煤層槽波對多方位巷道定位的有效性。

3 結(jié)論與認(rèn)識

（1）厚煤層小構(gòu)造探測是地球物理勘探難點，采用雙邊透射、雙邊反射的探測方法，充分挖掘槽波有用信息可多方面分析探查工作面地質(zhì)異常體。

（2）槽波為煤層中傳播的導(dǎo)波，簡單構(gòu)造厚煤層連續(xù)，反射槽波繞射偏移可有效對煤層探測區(qū)域多方位巷道進(jìn)行定位。在槽波應(yīng)用中利用已有巷道可有效確定槽波速度，提高斷層的定位精度，指導(dǎo)礦井安全高效開采。