礦井地震在隱伏構造探測中的應用

秦道霞 郭玉成 王立棟

（1.肥城集團單縣能源有限責任公司，山東 菏澤 274300；2.山東科技大學資源學院，山東 泰安 271000）

陳蠻莊煤礦3402 工作面在巷道掘進時，揭露了落差在1.0～5.0 m 范圍內的正斷層9 條，預計回采時，還可能受到未揭露斷層的影響。確保工作面安全高效回采，則需查明3402 工作面隱伏斷層位置及范圍。

1 工程實例

3402 工作面走向長為884.8 m，切眼傾斜長為180 m。地面大部分為農田，礦井上方存在2 條村級公路，并且存在低壓線1 條、高壓線2 條。該工作面作為3400 采區的首采工作面，正在回采的3206 工作面在其東南方向，周圍再無其他回采或掘進活動。工作面3 煤為焦煤，根據實際揭露的煤層資料，3 煤厚度0.7～4.6 m，平均為3.1 m 厚，傾角在25°～39°之間，平均32°，3 煤層整體結構相對簡單。

2 地震反射共偏移探測

2.1 探測方法

地震勘探利用地層中的介質彈性及密度具有差異，分為反射法、折射法及地震測井[1-2]。在3402工作面勘察過程中，通過采用地震反射共偏移探測技術對地層進行勘探，依據反射波勘探原理[3-4]，在實際探測過程中如果需要采用單側排列觀測系統，在接收點布置的時候只需要將接收點布置在巷道同一側，再進行地震激發與數據采集的過程，觀測形式如圖1。實際探測過程中為了保證反射段出現多次覆蓋減少因為數據測量引起的誤差，通常需要滿足反射段的長度L大于步距P。地震反射共偏移法對構造的探測效果是十分有效的。

圖1 單邊排列多次覆蓋示意圖

針對煤礦特殊環境，震源一般是選用錘擊或者放炮的方式。本次探勘選用放炮的激發方式。

2.2 施工設計

勘探設備：KDZ1114-6A30 型便攜式礦井地震儀、TZBS 系列傳感器（主頻為60 Hz）。

現場采集所設置的參數見表1。

表1 儀器采集參數

在3402 工作面探測現場，采用10 道共偏移連續探測追蹤，在完成激發點單邊排列后，根據現場實際情況，選定最佳偏移距以及檢波器的間距進行探測。在3402 軌道順槽和膠帶順槽內幫采用放炮的方式激發，現場共放94 炮，其中軌道順槽44 炮、膠帶順槽50 炮。軌道順槽第1 炮位于W13 測點向里13.5 m，采用順移前進式觀測方式，選用6 m 激發間距，偏移距30 m，道間距2 m，步長6 m。現場探測測線布置如圖2。為了確保數據精度，實際計算時不能用設計點距來計算，應該按實測點距來進行運算。圖3 為現場采集第20 炮～第38 炮數據原始波形圖。

圖2 現場探測測線布置

圖3 第20 炮～第38 炮數據原始波形圖

3 偏移成像數據處理

從時間域及深度域兩方面來對通過現場探測采集的原始數據進行分析處理，實現時深轉化，再通過已知地質資料分析，經過深度域反射相位同相軸追蹤對比分析后，最終形成地質剖面[5-6]。具體流程圖如圖4。

圖4 偏移成像數據處理流程圖

將現場所采集的數據進行時間域數據信息轉化為深度域數據信息，需對數據完成速度分析和偏移成像處理，其中包括定義射線平均速度及確定偏移距、偏移范圍、偏移道數等。經過大量現場實踐經驗所得，當勘探現場的炮檢距變化范圍不大時，由于時間足夠短，精確偏移速度可采用采樣均方根速度替代；偏移范圍是以道數為單位的偏移道數，并且要得到正確的偏移歸位，使所得出剖面與實際情況更加貼合，反射點的偏移距離應該被包括在偏移范圍以內。偏移距離OO'是反射點與接收點之間的水平距離，可以通過OO'=1/2·V·t0·sinφ公式算出。其中t0為垂直反射時間，ms；φ為反射界面的傾角（°）；V為地震速度，m/ms；偏移道數等于偏移范圍除以道間距一半。對于成像參數，本次現場探測所選用的參數見表2。

表2 偏移成像參數表

經過數據處理后，得到直達縱波的平均速度為3.0 m/ms，選擇3.0 m/ms 為偏移初始平均速度。本次現場探測利用發射點單邊排列多次覆蓋數據的方法采集數據，現場探測過程中應該盡可能保證每次發射震源信號時各參數相同，減少數據采集中的誤差。

本次現場地震勘探選取軌道順槽W13 測點向里13.5 m 位置處為坐標零點，建立三維立體坐標系，確定接收點及激發點相對位置坐標。將所探測范圍以單元格的形式進行離散處理，其中由實際的勘探精度要求決定網格密度，用（X0，Z0）來表示反射點的位置坐標，用V0來表示反射點周圍介質的速度。這樣使圖中每個單元格都作為波場中反射點，而一個點受到每個震源影響所形成的道集就是共像點地震道集。

4 偏移成像數據分析及其結果

本次探測區域信號主頻在50～450 Hz，主頻信號豐富，數據采集質量很好。成果解釋圖如圖5，具體分析解釋如下：探測解釋2 個構造異常區YC1、YC2。其中YC1 構造異常區呈帶狀分布，長度略長，其位置位于W10 測點左側26 m 至W12 測點左側27 m 處，長度大約115 m，軌道順槽以里83～91 m 范圍內，該異常區內可能含有隱伏斷層或煤層破碎帶。YC2 構造異常區呈帶狀分布，長度較長，其位置位于C37 測點左側38 m 至C34 測點左側33 m 處，長度大約256 m，膠運順槽以里35～50 m 范圍內，推斷該異常區內有可能含有隱伏斷層或煤層破碎帶。結合已經揭露的斷層情況可知，以上兩個異常區中YC1 有可能是已經揭露的f8 斷層向面內發育的隱伏斷層構造，YC2 可能是受到已經揭露的f5 斷層影響下形成的異常響應。經過后期回采揭露情況，YC1異常區附近存在發育的隱伏小斷層構造使得該處呈現異常響應。異常區YC2 主要是受到f5 斷層影響下使得該區域出現煤層破碎帶呈現異常響應。結合前期三維地震勘探結果與后期現場揭露情況對比后，發現反射共偏移地震勘探方法很好地彌補了地面三維地震方法對礦井某些小地質構造定義不準的局限，有效地保障后期回采工作安全進行。

圖5 工作面地震構造探測成果解釋圖

5 結論

（1）3402 工作面在掘進過程中出現9 條揭露斷層，其面內還存在其他隱伏結構的可能性較大，使用地震反射共偏移探測技術實現了3402 工作面內隱伏構造的探測。

（2）通過數據處理后，探測成果中出現2 處高振幅的地震記錄，有很強的能量被反射回來。利用地震反射共偏移探測技術圈定了2 處構造異常區，為工作面安全高效回采提供可靠依據。

（3）實踐證明，利用地震反射共偏移探測技術在探測工作面內所存在的隱伏構造時，總體效果較好，并且能夠進一步改善地面三維地震勘探技術對于工作面內存在的小型地質構造探測不準的缺點，提高探測的準確性，進一步促進了施工效率。該探測技術具有探測準、操作簡便、成本低等特點，在地質構造勘探領域具有重要意義。