反射槽波法在探測煤田地質構造中的應用

馬彥龍，劉 斌

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

槽波探測技術已經廣泛應用于煤礦井下工作面內小斷層、陷落柱、采空區等地質異常體的探測[1-3]. 槽波探測技術分為透射法與發射法兩種，其中，反射槽波法具有在單條巷道掘進完成或者利用工作面一側巷道向另一側探測異常信息、探測距離長的優點，給預先工作面布置提供地質依據[4-5].

1 反射槽波原理

這種方法的有效波是反射槽波信號。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續體，即遇到了地震波的波阻抗(速度和密度差異)的分界面，就會產生反射槽波信號。因此，識別出這些反射槽波信號就能直接判斷出煤層不連續體的位置，見圖1，激發點與接收點布置在同一巷道內[6-9].

當震源在煤層中激發時，由于煤層相對于頂底板圍巖是一個低速層，大部分彈性波將由于頂底板界面間的多次反射被禁錮在煤層中，相互疊加干涉，形成槽波。槽波在巷道內被激發時將沿煤層傳播，當遭遇到斷層等具有波阻差異的構造時，一部分的槽波會發生反射，形成反射槽波，被震源所在巷道內的檢波器接收到。反射槽波法主要利用形成的反射槽波來探測異常地質構造。

反射槽波成像采用繞射波成像算法。由于槽波僅在煤層中傳播，因此槽波的繞射偏移成像一般在煤層所近似的平面內完成。設P(x,y)為平面內一點，則該點上的疊加振幅為：

式中：

N—總炮數；

M—檢波器數；

A(tij)—第i個炮集中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅；

vg—槽波群速度；

rij—P(x,y)點到第i個震源點和第j個接收點的距離的和[7-11].

2 工程實例

2.1 地質概況

某礦1224工作面往東煤層未采動，屬穩定結構煤層，厚度在1.2～1.6 m，平均厚度1.4 m，偽頂在0.7～2.9 m，運輸順槽掘進過程中，巷道內揭露斷層3條(F161、F164、F165)，斷距為0.7～4.0 m. 在勘探范圍內，三維地震解釋較可靠陷落柱DX1，可靠陷落柱DX2、異常區DY1，探測區域為1224運輸順槽往東150 m區域，見圖2.

圖2 探測區域圖(灰色區域)

2.2 觀測系統設計

1224工作面運輸順槽外側幫炮點與接收點布置：炮眼設置在煤層中間，垂直于煤壁，深度3.0 m，d42 mm，每個炮眼300 g乳化炸藥，檢波點道距5 m，炮點道距10 m. 采集槽波一般用SN4-60 HZ縱波檢波器，數據采集的采樣間隔為0.25 ms，記錄長度2 s，布置圖見圖3.

圖3 觀測系統布置圖(炮點，接收點)

2.3 數據處理

1) 波場類型與速度分析。

以S38炮為例進行初步分析，見圖4，S38單張記錄中顯示4組波，最先到達的是來自圍巖的折射縱波，隨后是來自圍巖的折射橫波，最后到達的能量團是直達槽波與反射槽波，實際采集數據中包含較高的噪聲，經頻譜分析，噪聲成分主要分布在80 HZ以下。為了壓制圍巖折射縱波、折射橫波，提高槽波的信噪比，對該工作面采集的槽波數據進行了帶通濾波，然后進行CT成像等處理作業。

圖4 S38炮濾波后數據圖

2) 頻散分析。

槽波是典型的頻散波，即槽波的速度隨頻率的改變而變化，通過軟件計算出的Love型槽波的頻散特征見圖5. 從圖5可以看出，煤厚1.4 m的埃里相在350 HZ附近，槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。實際數據中包含各種頻率的噪聲，但其噪聲成分大于槽波速度，對本次數據處理影響不大。

圖5 Love型槽波頻散特征圖

3) 處理成果。

槽波具有能量強、速度低、頻散等特點。直達槽波對反射槽波的影響很大，頻散特性使槽波具有較長的波列，致使反射槽波淹沒在直達槽波的續至波列中。因此，在資料處理過程中需要壓縮槽波波列以增強反射槽波；其次，槽波沒有明顯的同相軸，無法直接疊加成像，處理時根據巷道揭露斷層情況將成像區域分為3段，每段劃分若干個網格單元，依據反射槽波成像方法，將接收信號的能量按照反射槽波的傳播路徑進行偏移歸位，就可以得到探測區域的反射槽波CT成像結果(圖6). 成像結果中的條帶狀異常區域一般與斷層或陷落柱等異常構造相對應，結合地質資料進行解釋如下：

CX1：西側邊界約30 m，位于1224工作面運輸順槽東側Y3導線點東側約40 m處，三維地震解釋為較可靠陷落柱，與原解釋相比較，西側邊界往西偏移16 m；CX2：西側邊界約65 m，位于1224工作面運輸順槽靠近切眼以東約40 m處，三維地震解釋異常區DY1內，為可靠陷落住，與原解釋相比較西側邊界偏移了100 m；CX3：西側邊界約120 m，位于1224工作面運輸順槽東側Y4導線點東側約42 m處，為槽波新發現陷落住。

4) 鉆探驗證。

經過打鉆驗證，解釋3個陷落柱位置準確率達到80%以上(圖7).

圖6 數據處理解釋結果圖

圖7 鉆探與探測結果對比圖

3 結 論

1) 反射槽波可以利用單條巷道有效探測工作面一側的地質構造，為工作面布置提供地質依據。

2) 為了更多的形成反射槽波信號，應該針對性的加密道距和炮距。

3) 反射槽波探測1224工作面結果得出3個陷落柱、2條斷層，經鉆探驗證與探測結果相吻合，反映了反射槽波在工作面布置及回采過程中的重要作用。