地震反射(槽)波在煤礦掘進巷道超前探測中的應(yīng)用

范 創(chuàng) 常永峰 羅 鵬

（山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 滕州 277519）

1 引言

柴里煤礦23下614工作面面積約0.2km2，處于三條斷層形成的地塹區(qū)域。北為程樓斷層，西為田崗斷層，東為二龍崗斷層，南部田崗斷層與二龍崗斷層交匯。本區(qū)3煤頂板砂巖與田崗斷層對盤奧灰含水層對接，原勘探資料顯示田崗斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬樱褾2斷層及以北區(qū)域地質(zhì)情況不明，工作面切眼外側(cè)存在程樓斷層，運輸巷外幫存在二龍崗斷層，因此采用地震MSP超前探法和反射勘探在切眼外幫進行構(gòu)造超前物探，探查程樓斷層的位置及走向，為工作面的安全開采提供地質(zhì)保障。

2 反射探測方法原理

一般情況下，煤的密度和波在其中的傳播速度常常比圍巖小（見表1），煤層與圍巖相比，是一種低速層狀介質(zhì)，因此可將煤層視為一種波導(dǎo)。在煤層中激發(fā)的地震波，當(dāng)波射線以大于臨界角的方向入射到煤層頂、底板界面時，就會全反射。因頂?shù)装褰缑娑嗍瞧叫械模@種全反射過程會在煤層頂、底界面間多次反復(fù)地進行，從而形成沿煤層傳播的特殊波，即槽波（ISS）或?qū)Рǎ–W）。

當(dāng)煤層變質(zhì)程度高，煤層速度會明顯增加，圍巖巖性較軟時，煤層的低速波導(dǎo)特性會下降，導(dǎo)致槽波發(fā)育不顯著。

表1 煤和巖石密度與地震波傳播速度

2.1 反射震波探測布置

在工作面中利用反射震波方法進行探測，在23下614工作面切眼激發(fā)、接收，做反射震波勘探。

（1）激發(fā)點參數(shù)

激發(fā)點測線布置于切眼，測線總長約90m，實際炮間距均為5m。

（2）接收點參數(shù)

接收點測線布置于切眼，現(xiàn)場共布置4站，測線總長約90m，實際道間距5m。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

地震數(shù)據(jù)的采集采用1臺震電主機在運輸巷南端接收反射震波數(shù)據(jù)，形成單站一次可接收16道的數(shù)據(jù)采集裝置。爆破使用200g乳膠炸藥，將藥卷送至孔底，使用炮泥將孔封好，并接好爆炸起爆器和儀器啟動器，待接收站和激發(fā)站安裝就緒后，電話聯(lián)絡(luò)開啟儀器，設(shè)置好參數(shù)，由接收站指揮激發(fā)站放炮，記錄各炮波形信號數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場探測地震儀器工作參數(shù)設(shè)置如下：

通道數(shù)：64道； 采樣間隔：0.1ms；

采樣長度：8K個點； 超前采樣點：0。

本次采集，采用連續(xù)高效放炮、同組接收點固定接收的作業(yè)方式，保證了扇形的最大覆蓋范圍和探測區(qū)域。

2.3 完成工作量

反射震波工作為23下614工作面切眼（90m），探測工作量以布置檢波器為準(zhǔn)，累計走向長度為90m，其中反射震波總測線長90m。激發(fā)點測線布置于切眼，測線總長約90m，實際炮間距均為5m，共計19個炮點，有效炮為19炮，激發(fā)點數(shù)19個。

2.4 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量評述

震波是由特定位置進行小型爆破產(chǎn)生的，爆破點一般是沿巷道左(右)幫平行洞底呈直線排列，這樣由人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源，形成地震斷面。這些震源發(fā)出的地震波在遇到地層層面、節(jié)理面、特別是斷裂破碎界面和溶洞、暗河、巖溶陷落柱、淤泥帶等不良界面時，將產(chǎn)生反射波。為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，地震施工時嚴(yán)格按照礦井震波探測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行操作。反射震波施工時激發(fā)點布置在23下614工作面切眼，共計19個炮點，有效炮為19炮；接收點同樣布置于切眼同一幫，共64道，有效道為57道，平均道間距為5m。為保證精度，實際計算時以實測點距帶入運算。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 槽波的提取

為此根據(jù)槽波頻率高速度低的特征，采用道內(nèi)平衡-一維濾波-道內(nèi)平衡-AGC-二維濾波的方法進行槽波提取，如圖1（b）所示，圖中的高頻地震波信號即為槽波信號，從提取結(jié)果中可以看出，槽波信號更加突顯。

圖1 槽波提取前后的單炮記錄

3.2 包絡(luò)計算

信號包絡(luò)其實質(zhì)上是使有正有負(fù)的波形序列變成只有正值的能量序列，這是一種傳統(tǒng)的方法手段，處理之后的信號僅僅在外觀上還是會保持與原來的信號相同，但是由于有負(fù)相位的存在，處理之后，槽波的信號頻率則會有明顯的降低，只有20～30Hz。

3.3 共反射點道集

對共炮點記錄重新抽道選排形成共反射點道集，然后進行速度分析、動校正、水平疊加或偏移歸位等處理，最終得到用于資料解釋的成果數(shù)據(jù)。

3.4 速度分析

對埃里震相的速度進行估計，是槽波速度分析的最為主要的作用，目的是為后面對數(shù)據(jù)的疊加處理和偏移處理提供相關(guān)的參數(shù)，這也是識別槽波的重要標(biāo)志。槽波的主要能量相對較低，槽波核心部分埃里震相的速度也是相對的偏低。經(jīng)分析槽波速度在1000m/s左右。

3.5 包絡(luò)疊加及偏移成像

槽波數(shù)據(jù)主要采用的是包絡(luò)疊加的方法。通過這種方法可以提高信噪比，包絡(luò)疊加其實主要就是對包絡(luò)計算后的數(shù)據(jù)進行動校正和疊加，得到包絡(luò)疊加剖面，并對其選擇合適的速度進行偏移成像（見圖2）。

圖2 槽波疊加偏移剖面

3.6 反射偏移成像

反射震波解釋以強反射槽波能量異常作為依據(jù)。在側(cè)幫探測過程中由于空氣巷道對槽波存在屏蔽效應(yīng)，故側(cè)幫反射槽波探測不存在全空間效應(yīng)，即側(cè)幫反射槽波指向性強，以本次探測為例，在23下614工作面切眼布置檢波器及炮點。

處理的結(jié)果是獲得偏移深度剖面，根據(jù)剖面中反射波相位同相軸的連續(xù)追蹤與對比，結(jié)合已知地質(zhì)資料及地質(zhì)體的各種特征進行解釋，最終形成地質(zhì)剖面。一般情況下，探測區(qū)域內(nèi)有陷落柱、斷層破碎帶或應(yīng)力集中異常等現(xiàn)象，通常在地震記錄上表現(xiàn)高振幅（能量）。礦井地震探查方向一般為順層方向，速度變化差異較小。

從分析結(jié)果可以看出，地震振幅為歸一化后的振幅值。在剖面顯示采用亮點顯示方法，結(jié)合實際需求及數(shù)據(jù)分辨率，只對探測目的深度以內(nèi)信號做出解釋。其中，23下614工作面切眼深度30m范圍內(nèi)受直達槽波長波列影響，可以看出淺層存在亮塊，故其深度30m范圍內(nèi)不解釋地質(zhì)異常；在30～100m范圍內(nèi)沒有明顯的亮點，即該范圍內(nèi)并無異常反映。

4 綜合地質(zhì)解釋分析與建議

探測23下614切眼（33號測點往西91m范圍）外幫100m范圍內(nèi)不存在地質(zhì)異常構(gòu)造。本次探測是23下614切眼的首次探測，受影響因素較多，可能與探測結(jié)論存在一定的異常性。因此需加強鉆探驗證，發(fā)現(xiàn)前方異常應(yīng)及時采取措施，把構(gòu)造對巷道的影響降到最低，確保下步工作面的安全開采。