槽波地震超前探測地質構造在王家嶺礦的應用

蘇曉云

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

震動波在煤層中傳播遇到地質構造時，會發生波動變化，槽波地震探測就是利用這一原理來探測隱伏地質構造的礦井物探方法。根據觀測系統布置的不同，又分為透射法、反射槽波探測法，還有在反射法基礎上發展起來的槽波超前探測[1]。

透射法是在已經形成的工作面兩條巷道進行激發接收震動波，通過震動波傳播的能量及速度變化進行探查斷層、陷落柱等各種地質體或異常。

反射法是在單條巷道內激發并接收震動波，通過接收地質異常體的反射槽波探查巷道側幫煤層內的構造發育情況。

槽波超前探測是在反射槽波法的基礎上通過改變常規的施工工藝，利用鉆孔及現有的單條巷道，實現對獨頭巷道前方構造的探測方法，能夠探查獨頭巷道前方的地質構造情況[2]。

1 超前槽波探測原理

通過在獨頭巷道側后方打深孔放置深孔孔中檢波器，聯合獨頭巷道兩側的淺孔檢波器，形成T字形接收面，在獨頭巷道兩側放炮激發，震動波傳播遇到前方的構造異常時，返回被T字形接收面接收，根據震動波傳播的時間及速度，即可得出異常的位置（見圖1）。

圖1 槽波超前探測示意圖

2 應用實例

2.1 工作面概況

中煤華晉集團有限公司王家嶺井田位于山西省河津市鄉寧縣境內，井田面積約120 km2，儲量超過10億噸，是極好的煉焦配煤。該井田總體構造發育較簡單，煤層傾角較寬緩[3]。

12321工作面位于123盤區北部，所采煤層為2號煤層，煤層平均厚度約6 m。根據三維地震解釋結果，1231工作面膠帶巷受DF43斷層影響，該斷層由HJK18導線點起，沿SW走向延展，長度超過1 000 m，斷層落差0~15 m，將會對該工作面兩巷掘進及回采造成影響。

2.2 觀測系統設計

本次DF43斷層槽波超前探測，測線布置在12321工作面膠帶巷迎頭后方240 m范圍內。為探查DF43斷層的走向及斷層可能的揭露位置，確定了槽波超前探測的方案（見圖2）。

圖2 工程布置圖

（1）激發點：從迎頭開始，采用10 m炮間距，巷道兩側各24個激發點，共布設48個。

（2）深孔接收：迎頭兩側，孔深60 m，接收點距10 m，共布設深孔接收12道。

（3）淺孔接收：從迎頭開始，采用20 m間距，孔深2 m，巷道兩側各12個激發點，共布設24個。

2.3 數據分析

在數據分析時，采用了繞射偏移成像方法，通過該方法對原始槽波記錄進行成像。繞射偏移處理是將雜亂的反射波偏移歸位到真實位置上的一種方法。自激自收的疊加剖面一般在界面水平無傾斜時，可以成像。而當遇到構造時，界面發生傾斜，此時通過繞射偏移，可以歸為界面，反應出真實異常形態[4]。得到S15炮的原始單炮記錄如圖3，其中可以看到明顯的反射槽波。

圖3 S15炮槽波記錄

2.4 頻散分析

槽波最主要的特性就是其頻散，意味著槽波波速受頻率影響較大。通過波場分析，可以計算出槽波的頻散曲線如圖4所示。從頻散曲線圖中可以看出，槽波主頻在100~200 Hz之間。

圖4 槽波頻散曲線

2.5 成果解釋

槽波超前探測成像采用繞射波成像算法，而偏移成像以槽波發育的煤層平面為基準進行。設P（x，y）為煤層內一點（即成像點），則該點疊加的振幅值為：

其中N為總激發點數，M為接收點數，A（tij）代表瞬時振幅，vg是槽波群速度。rij是該點與激發點，接收點的距離之和。通過這三點之間的關系即可求出反射方位角，再對瞬時振幅進行加權求和，就可減少不相干波場等的影響，從而使成像結果更符合實際情況[5]。

實際成像時，按照觀測系統范圍大小建立一個X方向500 m，Y方向300 m的模型，網格大小為5m×5m。即X方向100個，Y方向60個點，每個點都是煤層平面中的一個成像點，即該點的振幅。每一個激發點對應一個接收點都會形成一條射線，將所有激發點對應所有接收點得到的全部射線進行50次迭代計算，即可得到該煤層平面的能量分布情況。

最終的DF43斷層槽波超前探測構造解釋圖中（見圖5），右側異常對應的兩條大巷，中間為DF43斷層異常邊界。通過大巷固定的位置可以標定反射槽波的速度，從而得出中間的異常即準確的構造異常位置，即DF43斷層的反射界面，將該界面進行延伸，即可得出該斷層與巷道的交點。最終，經過掘進驗證，斷層揭露位置偏差≤5 m。

圖5 DF43斷層槽波超前探測構造解釋圖

3 結論

（1）獨頭巷道槽波超前探測能夠有效地接收掘進前方斷層的反射槽波，且探采結果對比表明，探測誤差可以控制在10 m以內。

（2）獨頭巷道的槽波超前探測具有探測距離遠，精度高的優點，根據槽波超前探測成果，可以提前調整巷道掘進角度，減少巷道割巖，以及避免冒頂風險，為煤礦安全快速掘進提供保障。