基于HTSP技術(shù)的小型地質(zhì)異常情況探究

常 安

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦，山西 晉城 048204）

1 引言

利用超前探測(cè)技術(shù)探測(cè)礦井掘進(jìn)巷道前方是否存在小型地質(zhì)異常是一個(gè)前沿的課題。小型地質(zhì)異常的探測(cè)難度較大，而無計(jì)劃開采容易引發(fā)瓦斯涌出量超限、突出等事故，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的影響。因此，防范小型地質(zhì)異常對(duì)巷道掘進(jìn)的影響具有非凡的意義。寺河礦作為煤與瓦斯突出礦井，在地質(zhì)異常區(qū)域的防突壓力尤為巨大。地面三維地震技術(shù)對(duì)大型陷落柱、斷層等災(zāi)害性地質(zhì)體有較好的探測(cè)效果，但探測(cè)結(jié)果偏差較大，對(duì)于小型地質(zhì)異常的探測(cè)效果不明顯。鑒于此，以礦井巷道超前探測(cè)技術(shù)（以下簡稱為HTSP技術(shù)）為基礎(chǔ)，對(duì)小型地質(zhì)異常進(jìn)行探測(cè)研究，取得了良好的成效。

2 礦井巷道超前探測(cè)技術(shù)分析

礦井巷道超前探測(cè)（HTSP）技術(shù)是一種全空間、多波多分量聯(lián)合勘探技術(shù)。HTSP技術(shù)對(duì)大于1/2煤厚的斷層、直徑大于10m的陷落柱有明顯的響應(yīng)。在對(duì)異常定性定量上還需要大量的試驗(yàn)來總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為技術(shù)改進(jìn)和推廣提供強(qiáng)大的實(shí)踐支撐。

礦井巷道超前探測(cè)技術(shù)是在地面地震勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的礦井物探新技術(shù)，旨在通過巷道內(nèi)的地震反射波技術(shù)提高對(duì)礦井小型地質(zhì)異常的探測(cè)效果。

目前礦井超前地震技術(shù)主要存在如下3個(gè)問題：

（1）觀測(cè)系統(tǒng)：由于礦井巷道狹長且空間有限的特點(diǎn)，目前多采用的是多震源少測(cè)道的觀測(cè)系統(tǒng)。由于多次激發(fā)地震波之間能量、相位、頻譜之間存在差異，實(shí)測(cè)反射波形雜亂，缺乏規(guī)律，增加了超前數(shù)據(jù)解析難度。

（2）震源：目前礦井地震產(chǎn)品一般采用重錘激發(fā)和炸藥激發(fā)兩種方式。重錘激發(fā)操作簡單，但存在探測(cè)距離短（很難達(dá)到70m以上的距離）且地震波易受干擾、分辨率低的缺點(diǎn)；炸藥激發(fā)探測(cè)距離遠(yuǎn)（最大可達(dá)200m），分辨率高，但一次超前探測(cè)施工，需要20次左右的放炮數(shù)量，由于是在井下作業(yè)，放炮措施嚴(yán)格，耗費(fèi)時(shí)間多，推廣難度極大。

（3）波形分離：探測(cè)過程主要關(guān)注超前信息，所以需要分離掉其他方向彈性波，再利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移成像。而目前常用的數(shù)據(jù)解析方法對(duì)于分離彈性波波場(chǎng)和偏移成像存在難度。

鑒于上述3個(gè)問題，提出一種一次激發(fā)、多點(diǎn)多道接收的新型分布式巷道超前探測(cè)系統(tǒng)，可以大幅提高井下現(xiàn)有地震類儀器多通道接收能力，提高激發(fā)地震波原始波形相位和頻譜一致性，增強(qiáng)實(shí)測(cè)地震反射波內(nèi)在規(guī)律性，提高地質(zhì)構(gòu)造異常識(shí)別能力和精度。同時(shí)采用新型孔中多分量檢波器，提高設(shè)備穩(wěn)定性和便攜性，實(shí)現(xiàn)更加便攜的布點(diǎn)，降低采樣施工難度，極大地提高采集的震波數(shù)據(jù)量和質(zhì)量。將震源激發(fā)點(diǎn)數(shù)量降至最低，為使用更為有效的震源方式提供了極大的便利。此外，如果將觀測(cè)系統(tǒng)布置在工作面一側(cè)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)用單邊排列方法處理，可以同時(shí)完成工作面內(nèi)地震探測(cè)工作，獲得工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造信息，實(shí)現(xiàn)單次探測(cè)成果效益最大化。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

本次勘探采用HTSP技術(shù)探測(cè)迎頭前方的構(gòu)造發(fā)育情況，工作原理如圖1所示。

圖1 HTSP技術(shù)工作原理圖

3.2 工作面情況

本次井下地震超前探測(cè)地點(diǎn)為寺河礦西井西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷開口0#橫川處，施工地點(diǎn)在距迎頭退后40m范圍內(nèi)。寺河礦西井3#煤層位于山西組下部，煤層厚度為5.00～7.22m，平均6.21m，為全區(qū)可采煤層。3#煤層含夾矸0～5層，夾矸單層厚一般為0.02～0.69m。

西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷煤厚約6.0m，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩(wěn)定型煤層。掘進(jìn)方向上煤層約3°上坡，巷道左高右低，約3°。煤層頂?shù)装迩闆r詳見表1。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)情況

本次探測(cè)在西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷同側(cè)布置分布式三分量觀測(cè)系統(tǒng)，檢波點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)均布置在巷道左幫，采用炮擊震源。第一個(gè)檢波點(diǎn)距巷道迎頭退后5m，共布置8個(gè)，編號(hào)為J1～J8，檢波點(diǎn)間距1m；共布置炮擊點(diǎn)2個(gè)，編號(hào)為P1～P2，第一個(gè)炮擊點(diǎn)偏移檢波點(diǎn)10m，兩個(gè)炮擊點(diǎn)間距5m。

表1 煤層頂、底板情況一覽表

3.4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程包括施工傳感器孔和炮孔、安裝傳感器、連接儀器系統(tǒng)、系統(tǒng)啟動(dòng)、安裝炸藥與雷管以及激發(fā)接收參數(shù)設(shè)置六個(gè)步驟，其中傳感器孔的孔徑32mm，孔深1.5～2mm，傾角上傾5～10°。炮孔的孔徑48mm，孔深1.5mm，傾角下傾5°。 激發(fā)接收參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 激發(fā)接收參數(shù)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)分析

將現(xiàn)場(chǎng)采集到的物探數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為可利用的物性圖件，對(duì)震波探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，具體的處理步驟包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、頻譜分析直至界面提取。現(xiàn)場(chǎng)采集到的地震波形頻譜分析如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為地震波頻率，單位為Hz，縱坐標(biāo)為地震波的振幅，單位為m。從圖中可以看出50～400Hz的頻帶范圍較大，有利于目標(biāo)體的分辨。

參照直達(dá)波速度，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，基本確定本探測(cè)區(qū)域橫波速度為2m/ms，并作為深度偏移時(shí)的速度背景值。本次探測(cè)前方有效反射信號(hào)如圖3所示，縱坐標(biāo)表示探測(cè)的時(shí)間，單位為ms，橫坐標(biāo)為探測(cè)的通道編號(hào)，單位為個(gè)。

圖2 地震信號(hào)的頻譜分析

圖3 地震信號(hào)的波形-三分量

圖4為震波偏移成像結(jié)果，其中X軸表示與西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷開口處的距離，單位為m，Y軸表示震波的極化偏移量，單位為m。根據(jù)圖3以及圖4，綜合分析后圈定兩個(gè)界面：

（1）西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷開口處前方0～25m段，在13～25m范圍內(nèi)有反射波能量較強(qiáng)的界面，界面命名為R1。

（2）西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷開口處前方50～100m段，在52～65m范圍內(nèi)有反射波能量較強(qiáng)的界面，界面命名為R2。

5 結(jié)論

基于HTSP技術(shù)的寺河礦西三盤區(qū)探測(cè)結(jié)果顯示，在西三盤區(qū)南翼鎖邊三巷開口處位置前60m范圍共有2個(gè)主要反射波異常界面，分別為R1（13～25m）、R2（52～65m）；巷道掘進(jìn)后實(shí)際在15m附近揭露斷層，55m左右?guī)r性發(fā)生變化、裂隙發(fā)育。巷道揭露情況很好地驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果。

圖4 震波偏移成像結(jié)果