槽波地震探測在河東煤田應用研究

郝立光，張培東，劉召永

（1.山西東江煤業(yè)集團有限公司，山西呂梁 033000；2.山西呂梁離石永寧煤業(yè)有限公司，山西呂梁 033000）

山西省在2009年煤炭資源整合以來，多數(shù)小煤礦被兼并重組成中大型礦井。步入綜合機械化采煤時代[1]。伴隨安全形勢、礦井安全生產(chǎn)和機械化程度的提高，回采工作面內(nèi)部地質(zhì)構造引起的回采安全和生產(chǎn)之間的矛盾問題越來越突出。在綜合機械化回采工作面回采過程中，因不能預測到回采工作面內(nèi)包含的隱伏地質(zhì)構造位置，常常造成工作面減產(chǎn)、停產(chǎn)嚴重者還能造成安全事故。而要查明煤體內(nèi)的異常體，需選用一種能夠準確判斷異常體位置的技術。槽波探測是20世紀80年代引入我國煤炭領域的一種地質(zhì)探測技術。槽波探測具有傳播距離遠、能量強、精度高、抗電干擾能力強、波形易于辨認、頻散特征明顯、能夠快速準確判斷煤體異常體等特點。在現(xiàn)實煤礦工程實踐過程中，通常應用槽波探測判斷工作面煤體內(nèi)的異常體來解決安全生產(chǎn)問題[2-4]。

研究區(qū)山西河東煤田呂梁某煤礦位于華北地臺鄂爾多斯盆地東部邊緣，總體構造形態(tài)為一走向近南北，傾向西單斜，地層產(chǎn)狀較為平緩，傾角一般在5°～10°。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造較為復雜，斷層、陷落柱、溶洞、黃泥淋頭水等地質(zhì)構造在礦井回采過程中經(jīng)常揭露。工作面走向長度3200m，傾向長度160m。為確保該回采工作面的順利回采及今后工作面高效安全生產(chǎn)，結合槽波探測技術的特點，對102工作面進行槽波探測。本次槽波探測地質(zhì)情況具體任務為：查明102工作面內(nèi)隱伏的以及影響安全生產(chǎn)的地質(zhì)因素,如構造應力區(qū)、煤層厚度變化、大小斷層、陷落柱、侵蝕帶等[5-6]。

1 探測方法原理

1.1 槽波的形成

一般而言，煤本身的密度和波在對應范圍內(nèi)的傳速要比圍巖小，具體如表1所示，在煤層之中會對應的地震波，如果發(fā)射線基于超出臨界角的方向直接射入煤層頂和底板界面之中，就會有反射的形成，并且還會在其中反復地進行多次，從而最終形成槽波，沿著煤層傳播。頂?shù)装搴兔簩又g的速度差明顯影響槽波的形成和質(zhì)量，煤層越穩(wěn)定槽波質(zhì)量越好，煤層變化越大，槽波表現(xiàn)越復雜[7-8]。槽波具體有兩種。

表1 煤和巖石密度與地震波傳播速度

1.2 槽波的頻散特性

槽波速度是頻率的函數(shù)，視為頻散，在群速度曲線上存在埃里相位，其本身一般在波列的末端出現(xiàn)，并且能量強、振幅大、頻率高，同時速度也非常的恒定，針對槽波地震法而言，在勘探之中就主要是利用的槽波埃里相位，對埃里相分析，埃里相變異可以判斷工作面內(nèi)有沒有陷落柱。埃里相缺失、中斷、錯動判斷斷層。埃里相的頻率和振幅變化判斷煤厚的變化等[9-10]。

1.3 槽波的頻散曲線提取

為了對地震信號進行研究，能夠了解隨著時間變化頻率的關系，就可以選擇時頻分析的方式來進行信號的處理。針對時頻（S）而言，其變換原理：S變換本身屬于無損并且可逆的一種時頻分析工具，公式如下：

式中：S——h(t)的S變換；

f——頻率；

t——時間；

τ——控制時間軸上高斯窗的位置。

反變換公式如下：

2 探測技術方案

2.1 地球物理前提及探測方法選擇

在靜水沉積的環(huán)境之下，其本身所形成的煤層賦存狀態(tài)幾乎是水平的，同一時期的煤層地球物理性質(zhì)彈性也非常的相近，但是考慮到構造應力這一后期的作用，會導致賦存的狀態(tài)出現(xiàn)變化，煤層就會變得扭曲、起伏、錯斷，煤體的原生結構就會出現(xiàn)被破壞的情況，最終導致煤體本身松散。對于落差超出煤厚的斷層構造，這樣就會導致煤層無法再連續(xù)，錯斷的巖層直接替代了煤層，斷層構造會導致煤體介質(zhì)彈性性質(zhì)出現(xiàn)較為明顯的變化：錯斷的巖層直接替代煤層，而巖層的彈性系數(shù)以及地震波速度也會比煤層更高，也就是說在煤層與巖層之間還有彈性差異的存在。針對斷層帶附近的煤，由于破壞了原生結構，那么就會降低其對應的波束，導致彈性系數(shù)減小，并且構造應力破壞程度不同煤的彈性也會存在一定的差異，也就是說，煤體本身在受到構造影響之后，就會有彈性差異的存在。煤體彈性的差異存在，這樣也能夠通過地震方法的實用，從而提供前提條件來進行斷層等構造的探勘與分析。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

2.2.1 探測布置

在102工作面進行槽波探測，激發(fā)點和接收點沿面布置，激發(fā)點間距20m，接收點間距10m，現(xiàn)場實際布置測線、測點如圖1所示。結合工作面的實際情況，本次工作面探測參數(shù)如下：

（1）激發(fā)點參數(shù)：激發(fā)點測線圍102工作面布置，共布置170炮，炮孔間距為20m，測線總長為3200m。

（2）接收點參數(shù)：接收測線圍102工作面布置，現(xiàn)場共布置370個接收點，間距為10m，測線總長3200m。

（3）測站設計：本儀器系統(tǒng)，現(xiàn)場布置170個激發(fā)點，370個接收點，工作面傾向長為160m。炮點孔徑?30mm，其激發(fā)點以炮點為準，從而落實震波激發(fā)；檢波點本身屬于接收點，會直接將TZBS系列傳感器放入其中。對于現(xiàn)場的具體布置，如圖1所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)獲取

采集地震數(shù)據(jù)，主要是在102工作面兩巷安裝1臺槽波地震儀來接收地震數(shù)據(jù)，這樣就直接形成了單站的一次可接受370道數(shù)據(jù)采集的裝置。在爆破過程中，直接利用300g的乳膠炸藥，直接將藥卷到孔底，然后通過炮泥將其封好，之后通過起爆器以及儀器啟動器，在安裝完接收站與激發(fā)站之后，電量直接聯(lián)系開起儀器，將參數(shù)設定完畢，通過接收站來智慧放炮，并且針對具體的波形信號數(shù)據(jù)加以記錄。

在具體設置參數(shù)時如下：采樣間隔：0.1ms；通道數(shù)：370道；超前采樣點：96；采樣長度：8K個點。

在本次的采集過程中，通過連續(xù)高效放炮的方式，對于同組接收點固定接收的模式，就可以確保扇形實現(xiàn)最大的范圍覆蓋與探測區(qū)域覆蓋，其追蹤路徑具體見圖2。

圖2 102工作面5m×5m網(wǎng)格劃分和射線追蹤路徑圖

2.2.3 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量評述

（1）井下施工條件及采取的技術措施。井下探測施工時，102兩巷施工條件較好，本次地震探測使用的是波的震動信號，因此巷道中排水管道、電纜線、信號線等鐵、銅器對物探信號影響很小。觀測系統(tǒng)檢波點，還需要在實體煤層部位上加以布置，直接在煤層打入鋼釬，并且要求其本身能夠與頂?shù)装逑嗷テ叫校瑫r，在鋼釬上直接固定傳感器，從而讓其達到傳感器耦合的實際條件。

（2）原始資料質(zhì)量評述。在地震施工中，基于礦井震波探測標準進行對應的操作，以此來滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障，在施工中，直接在102工作面的兩巷與切眼布置激發(fā)點，一共有170個炮點，其中無效炮孔為0；接收點在102工作面兩巷及切眼布置，共計370個。為了滿足精度的要求，基于實測點代入運算，從而進行具體的分析與計算。

對于資料質(zhì)量而言，基于探測區(qū)域之中射線實際的覆蓋次數(shù)進行分析衡量，其疊加次數(shù)具體如圖3所示。在實際探測中，其覆蓋次數(shù)基本超出10次，能夠滿足行業(yè)標準的要求，這表示原始的資料質(zhì)量是可靠的。

圖3 102工作面探測區(qū)域射線疊加次數(shù)圖

3 數(shù)據(jù)處理及分析解釋

3.1 數(shù)據(jù)資料處理流程

3.1.1 建立觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)是指炮點與接收點之間的幾何位置的布置關系。接收點布置往往沿巷道呈線狀布置排列。觀測系統(tǒng)的準確性會對數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生直接影響，因此必須保證建立準確的觀測系統(tǒng)。要根據(jù)具體的槽波探測地質(zhì)任務，針對巷道布置、安裝采掘設備等各個因素進行仔細的分析探究，以確定最佳的觀測系統(tǒng)方式。

基于炮點出發(fā)的地震波，伴隨著傳播距離的不斷增加，其本身會呈現(xiàn)出球面的擴散形勢，并且能量有所降低，頻率也在持續(xù)地降低。槽波本身為二維板的擴散。原本單炮通過擴散實現(xiàn)補償校正之后，其遠距離的記錄能量會得到進一步的加強，其實際的層次也會變得更加的清楚。對于井下槽波地震，都在煤層之中進行激發(fā)與接收，來自于煤層底板與底板的折射縱波和橫波，其頻率相對偏低，而槽波埃里相頻率則取決于煤層的實際厚度，如果薄煤層埃里相頻率高，那么其厚煤層頻率相對偏低。通過濾波，就可以對于縱波與橫波進行壓制，這樣就可以滿足槽波信噪比的提高，并且也可以實現(xiàn)不同形式槽波的劃分。

3.1.2 速度分析

以第2炮1～60道數(shù)據(jù)為例進行初步分析，對采集的槽波數(shù)據(jù)進行濾波，可以明顯看到，縱波和橫波得到壓制，槽波能量變強，特征明顯。

3.1.3 頻散分析

槽波具有很強的頻散特性，即槽波的速度隨頻率的改變而變化。對原始地震波數(shù)據(jù)進行分析，計算出槽波的頻散圖。

3.2 槽波地震資料解釋原則

槽波衰減系數(shù)成像的方法，姬廣忠等做了解釋和總結，本次探測解釋原則主要遵循：以槽波透射能量衰減為主，槽波速度成像結果圖次之，輔以槽波特征分布圖、縱橫波速度成像結果圖、無線電波透視結果進行綜合解釋。

3.3 數(shù)據(jù)資料處理及成果分析

3.3.1 頻率的確定與提取

槽波的能量主要集中在100～140Hz。我們從頻散圖中抽取100～140Hz的結果，就會得到窄帶寬的地震槽波信號。

3.3.2 槽波的速度成像

槽波的速度較P、S波最慢，認為S波的最后一個波峰時刻直接就是槽波的初至。使用槽波CT自動解析軟件，初至拾取模塊進行到時拾取，然后直接將其校正到第三波組初至處，這樣就可以獲取對應的槽波時間函數(shù)。然后將檢點位置坐標、網(wǎng)絡劃分參數(shù)等直接輸入到CT成像模塊之中，首先通過BPT計算結果，將其作為慢度初值，其中Mpspace=0.5、Mpmin=0.5、Mpmax=3，然后試試迭代計算，這樣就能夠?qū)孬@取槽波層析成像，層析成像結果根據(jù)各道槽波的頻散速度值直接計算，不需要人工讀取，具有客觀性，較準確。

3.3.3 透射槽波的能量分析

槽波在煤層中的傳輸與光波在光纖之中的傳播相對類似，并且在煤層之中的傳播透射性良好。如果工作面內(nèi)的煤層相對單一，穩(wěn)定性良好，那么槽波就會穿透巨大部分的工作面煤體，同時其能量容易識別，不會呈現(xiàn)出過快的衰減。如果在傳播過程之中出現(xiàn)槽波遇到了陷落柱、斷層等異常的地質(zhì)構造，那么就會改變其槽波能量。但是當斷層斷距超出煤層厚度，那么巖石就會直接斷開煤層，導致槽波不能夠穿透到另外一盤，最終迅速地衰減槽波能量；如果斷層斷距比煤厚小于一半的時候，煤層沒有被完全斷開，煤層的上下盤之間仍會存在煤層的連接，但是因為衰減較多，這樣就會增大斷層的斷距；當其斷距小于煤厚一半的時候，大部分槽波都可以實現(xiàn)斷層的穿透，降低能量的衰減，這樣無法對斷層形態(tài)實現(xiàn)輕易的查看。

3.3.4 縱橫波的速度成像

基于橫波速度與縱波速度來實現(xiàn)震波CT的反演切片。在煤層之中傳播地震波，煤層屬于波低速介質(zhì)，基于切片分析，如果煤層均勻分布，就屬于均勻分布的波束圖。如果遇到構造的時候，一般都會表現(xiàn)出高速的異常區(qū)域，對于煤層為頂部或者是底板巖石代替所形成的分析，一般來說，對于破碎的區(qū)域?qū)儆诘退賲^(qū)域；對于巖層變厚或者是變薄的屬于高速異常區(qū)域，從而得出地質(zhì)結論。

基于速度值來進行相對的工作面速度變化進行分析，橫波平均值為1.5m/ms，縱波平均值為2.6m/ms，基于速度異常定義平均值20%以上，就可以得到其縱波異常速度為4.0m/ms，高速異常，低速為2.0m/ms；橫波的分別是2.2m/ms與1.1m/ms。基于波束的高低異常值，針對斷層落差進行綜合的分析與判定，一般就可以利用異常值的具體情況來進行大小的定性評價，亦或是結合工作面的實際揭露的情況，直接與落差的大小進行相互的對比，然后試試具體的定量評價分析。

4 結論

（1）本次順利完成102工作面現(xiàn)場槽波探測工作，其中地震走向總測線長3200m；項目采集了170炮激發(fā)370個檢波器接收的高信噪比的地震記錄，為數(shù)據(jù)分析提供了可靠的原始數(shù)據(jù)；

（2）本次102工作面最終的綜合成果圖解釋了8個綜合異常區(qū)（綜合異常區(qū)YC1、綜合異常區(qū)YC2、綜合異常區(qū)YC3、綜合異常區(qū)YC4、綜合異常區(qū)YC5、綜合異常區(qū)YC6、綜合異常區(qū)YC7、綜合異常區(qū)YC8），各異常區(qū)在槽波速度成像、縱波速度層析成像、橫波速度層析成像、槽波能量衰減結果圖、槽波特征值交會圖中基本都有所反映。

（3）在槽波探測結果基礎上煤礦進行鉆探驗證工作，鉆探結果顯示與槽波探測結果基本吻合，為今后該工作面安全生產(chǎn)提供可靠資料。

（4）該工作面回采順利結束后，回采過程中揭露槽波探測結果的8處異常區(qū)實際存在，本次槽波探測順利進行及結果正常預測，為河東煤田同一煤層相鄰礦井的槽波地質(zhì)探測工作打下基礎和提供資料依據(jù)。