槽波地震探測在厚煤層工作面的巷道響應分析

賈晉

(中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077)

槽波地震探測屬于地震勘探的一個分支，是煤礦井構造探查的一種地球物理方法。伴隨著槽波地震數據處理[1-2]、波場模擬[3-5]和成像算法[6-7]等技術發展，槽波地震探測在礦井構造探查應用已不局限于傳統的透射、反射槽波探測，利用超前槽波地震方法探測巷道掘進工作面前方的地質異常構造也開始被推廣應用[2,8-9]。該項技術對地質問題的解決也已不局限于對礦井煤層中斷層、陷落柱、撓曲等地質異常體的探查，采空巷道、煤層厚度[10]、瓦斯富集區、應力集中區[11]的探查也得到了應用，且對常規構造探查精度要求也變得更高。依據已有地質資料及施工條件，如何獲取更多槽波數據處理解釋依據變得尤為重要。該文選定陜北榆神礦區某礦簡單構造厚煤層工作面開展槽波探測應用，探尋槽波對礦井工作面布設的多方位巷道響應特征，為后期復雜工況礦井的槽波探測設計提供參考，作為挖掘槽波數據處理與解釋的參數依據。

1 礦井槽波地震探測

礦井槽波地震探測技術是利用在煤層中激發和傳播的導波，探查煤層不連續性的—種地球物理方法，可以探查斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄、采空區及廢棄巷道等地質異常，具有探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征易于識別以及最終成果直觀的優點，在探測精度和距離上優于坑透等煤礦井下探測方法，目前主要有透射槽波法和反射槽波法兩種有效應用形式[12]。

圖1 槽波透射法探測射線追蹤示意

反射槽波法是將激發點與接收點布置在同一巷道內，利用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，通過識別出這些有效反射槽波信號就能判斷出煤層不連續的位置，如圖2所示。反射槽波偏移成像方法為當前反射槽波地震探測技術主要方法[2]，工程應用中利用同一巷道可向兩側進行探測，同時在已完成掘進工作面采用雙邊反射可以對平行巷道的不連續體位置精細界定，以滿足礦井工作面掘進不同時期的探測需求。在實際工程應用探測中，透射槽波法與反射槽波法被同時應用，兩種方法的成果在數據處理及解釋相互佐證并進行處理參數優化，很大程度上提高了工作面探測精度。

圖2 槽波反射法探測射線追蹤示意

超前槽波地震探測是常規槽波勘探施工工藝的進步和發展，將激發點與接收點布置在獨頭巷道，經常結合深孔檢波器和巷道兩側的檢波器，形成T 字形接收面。通過獨頭巷道兩側放炮激發，地震波在遇到迎頭側前方的異常構造時，反射波信號被T 字形接收面接收，通過識別出這些有效反射槽波信號就能判斷出獨頭巷道側前方煤層異常的位置，如圖3 所示。隨著我國智能化礦井建設，“透明化工作面”被廣泛關注，工作面隱伏構造探查將作為其重要部分[13]。槽波地震超前探測、隨采、隨掘探測技術在透明化工作面的地質探查中將不斷發展和推廣應用[9]。

圖3 槽波超前探測射線追蹤示意圖

2 探測應用實例

2.1 概況

陜北榆神礦區某礦30109 工作面作為研究實例，該工作面主采延安組3號煤層，走向長度4 300 m，傾向寬度300 m。直接頂板為粉砂巖、泥巖，少量細-粗粒長石砂巖，平均厚度28.0 m；直接底板為粉砂巖、泥巖，少量細-粗砂巖、炭質泥巖，平均厚度25.0 m。根據礦方地質及巷道揭露資料，探測區煤層厚度8.2～9.7 m，平均8.36 m。煤層整體層位穩定，結構簡單，頂底板巖性與煤層物性（密度、速度）差異明顯，波阻抗差異大，探測區內回采里程323～578 m存在二維地震勘探預測斷點，整體地質構造簡單，非常適合槽波反演煤層采空巷道響應研究。

2.2 觀測系統布置

工作面探測范圍為回采里程0～1 030 m，測線總長度為2 060 m（見圖4）。根據工作面巷道情況及層析成像射線均勻分布等原則設計輔運順槽、膠運順槽接收點道距為10 m，共布設207 個，圖中三角形點（）；激發點距20 m，共布設104個，圖中圓形點（）。選擇采樣間隔0.25 ms，記錄時長2 s采集。

圖4 工作面槽波探測施工布置圖

2.3 數據采集與處理分析

數據采集共記錄有效單炮104個，單炮信噪比高，射線均勻覆蓋整個探測區域。

工作面圍巖與煤層具體參數如表1所示。圖5（a）為此次探測采集數據中激發點S35，接收道R11～R246記錄到的共炮點原始記錄數據。記錄中可清晰顯示3個波組，分別是順圍巖傳播的折射縱波、折射橫波以及順煤層傳播的槽波，可以看出槽波數據質量極高，能量明顯遠強于縱波與橫波能量。提取記錄中速度信息，可得到順圍巖傳播的折射縱波、折射橫波速度分別為4 300 m/s、1 800 m/s。計算槽波頻散曲線見圖5（b），槽波能量集中在埃里相附近，得出槽波主頻率為90～200 Hz，速度為950 m/s。

表1 工作面圍巖與煤層參數表

圖5 槽波單炮S35記錄及頻散分析

2.4 反演成像與解釋

對原始單炮數據進行濾波，如圖6所示，實際數據中雖包含各種頻率的噪聲，但與槽波群速度差異較大，對槽波速度層析成像影響較小。

圖6 濾波前后槽波單炮記錄

基于地震波衰減層析成像理論，采用透射槽波衰減系數成像進行透射成像，設槽波品質因子為Qc，平面諧波振幅基于煤層的黏滯衰減關系為

式中，αc為頻率f對應的衰減系數，αs為介質吸收、煤層、構造導致的反射和繞射等影響下的衰減系數，vc為頻率f對應的槽波相速度[7]。

按照探測區大小建立一個X 方向1 030 m，Y 方向300 m 的模型，網格大小為3 m×3 m。依據透射槽波射線能量進行成像，如圖7（a）所示，CT 成像顯示探測區域無能量異常，透射槽波正常穿透，單炮記錄如圖7（b）所示。

圖7 透射成像及單炮記錄示意

式中，N為總炮數；M為檢波器數；A（tij）為第i 個炮集中第j道信號在tij時刻的瞬時振幅；rij為P（x，y）點到第i個震源點和第j個接收點的距離的和[2]。

首先，建立輔運順槽進行反射槽波模型，X 方向1 100 m，Y方向520 m的模型，參照公式反演成像見圖8（a）；建立輔運順槽進行反射槽波模型，X方向1 100 m，Y方向520 m 的模型，參照公式反演成像見圖8（b）。圖中淺灰色（暖色）區域代表槽波受到阻擋形成反射，兩順槽CDM 成像圖表明反射槽波對兩順槽反映較強，工作面內無明顯構造發育，成像對工作面外距離約30 m 處臨近采空巷道有顯示，單炮記錄反射槽波如圖8（c）、圖8（d）所示。

圖8 反射成像及單炮記錄示意

綜合透射、反射槽波探測成果，排除目標探測區內發育二維地震斷點，后經礦方回采證實目標區煤層破碎，無斷層發育。同時反射槽波對工作面內及臨近工作面采空巷道的明顯響應，證實了煤層槽波對多方位巷道定位的有效性。

3 結論與認識

（1）厚煤層小構造探測是地球物理勘探難點，采用雙邊透射、雙邊反射的探測方法，充分挖掘槽波有用信息可多方面分析探查工作面地質異常體。

（2）槽波為煤層中傳播的導波，簡單構造厚煤層連續，反射槽波繞射偏移可有效對煤層探測區域多方位巷道進行定位。在槽波應用中利用已有巷道可有效確定槽波速度，提高斷層的定位精度，指導礦井安全高效開采。