藍(lán) 航

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京 100013；2.中國煤炭學(xué)會(huì) 巖石力學(xué)與支護(hù)專業(yè)委員會(huì)，北京 100013)

反射共偏移探測技術(shù)在掘進(jìn)工作面地質(zhì)異常探測中的應(yīng)用

藍(lán) 航1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京 100013；2.中國煤炭學(xué)會(huì) 巖石力學(xué)與支護(hù)專業(yè)委員會(huì)，北京 100013)

針對某礦專用回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中接近三維地震勘探劃定的陷落柱區(qū)域，采用反射共偏移探測技術(shù)在膠帶巷進(jìn)行了側(cè)向探測，確定了探測范圍內(nèi)的專用回風(fēng)巷掘進(jìn)不會(huì)受到該陷落柱的影響，但會(huì)受到破碎帶和煤厚變化的影響。實(shí)際揭露情況證實(shí)了探測結(jié)論，表明該技術(shù)對于指導(dǎo)巷道安全掘進(jìn)具有實(shí)用價(jià)值。

反射共偏移；掘進(jìn)巷道；地質(zhì)異常探測；陷落柱；煤厚變化

1 反射共偏移探測技術(shù)

基于反射波勘探原理的反射共偏移探測技術(shù)近年來在煤礦井下的煤層厚度變化、陷落柱、構(gòu)造延展和采空區(qū)積水探測等方面獲得了成功應(yīng)用[1-4]。反射共偏移探測技術(shù)可通過錘擊激發(fā)方式進(jìn)行密集型多道共偏移探測，施工簡便易行，適用于礦井煤巖巷道或工作面構(gòu)造及異常地質(zhì)體的調(diào)查，可為巷道掘進(jìn)及支護(hù)提供參考，同時(shí)也節(jié)省了鉆探成本。

反射共偏移探測技術(shù)在單邊排列分析的基礎(chǔ)上采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖1所示的單邊激發(fā)、兩道接收的觀測系統(tǒng)，采用錘擊方式激發(fā)產(chǎn)生震源和地震波，當(dāng)球面地震波在煤巖中傳播遇到不同物性界面(即波阻抗明顯差異界面，如斷層、采空區(qū)、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，除了一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，其余地震信號(hào)反射回來。反射地震信號(hào)檢波器接收形成地震記錄?，F(xiàn)場探測時(shí)保持激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的相對位置不變，采用小步長同步移動(dòng)震源點(diǎn)和檢波器。每激發(fā)1次接收1組波形，通過多次偏移后最后得到1張多道地震記錄。對采集回來的數(shù)據(jù)運(yùn)用濾波、疊加和偏移等技術(shù)進(jìn)行深度處理，處理后得到偏移地震剖面，從中識(shí)別反射波同相軸。工程中通過分析反射波同相軸位置及特征，并結(jié)合探區(qū)周圍地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境來對斷層、陷落柱、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀進(jìn)行探測。

圖1 反射共偏移多次覆蓋示意

2 工程背景

如圖2所示，某礦75-5號(hào)膠帶巷北側(cè)35m為75-5號(hào)專用回風(fēng)巷(以下簡稱?；叵?，75-5號(hào)?；叵锞蜻M(jìn)頭至75-5號(hào)區(qū)段3號(hào)聯(lián)絡(luò)巷口130m。根據(jù)前期三維地震勘探結(jié)果，?；叵镎幱谌S地震勘探推測出的陷落柱區(qū)域附近。?；叵锞蜻M(jìn)迎頭后方15～25m范圍內(nèi)頂板及兩幫較為破碎，需架棚加強(qiáng)支護(hù)。為探明掘進(jìn)范圍內(nèi)可能遇到的隱伏陷落柱、伴生斷層或其他地質(zhì)異常的賦存狀況，決定在75-5號(hào)膠帶巷開展反射共偏移探測，以確定?；叵镏車刭|(zhì)異常情況，確保掘進(jìn)安全。本次探測在距離75-5號(hào)專回巷35m的75-5號(hào)膠帶巷內(nèi)展開，探測范圍為圖2矩形框所示。

圖2 75-5號(hào)膠帶巷反射共偏移探測位置示意

3 煤層波速測定

在一定探測區(qū)域內(nèi)，煤層的垂向波速一般都較穩(wěn)定。發(fā)射共偏移探測應(yīng)先做煤層波速測試，為探測解析提供基礎(chǔ)參數(shù)。煤層波速也是利用震波反射原理采用單點(diǎn)探測方法確定。本次探測測試點(diǎn)位于膠帶巷右?guī)?以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn))結(jié)實(shí)且完整區(qū)域，現(xiàn)場測試時(shí)采用錘擊震源，3個(gè)檢波器均勻分布在以錘擊點(diǎn)為中心，0.75m為半徑的圓上，試驗(yàn)時(shí)采用與儀器配套的動(dòng)圈振動(dòng)速度檢波器，觀測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 75-5號(hào)膠帶巷左幫單點(diǎn)速度測試觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

75-5號(hào)膠帶巷與75-5號(hào)專回巷中間是寬度為35m的煤柱，即該單點(diǎn)探測介質(zhì)厚度為35m。對采集的單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行波形移動(dòng)、一維濾波等預(yù)處理后，選擇一道接收效果良好的波形進(jìn)行速度測試。根據(jù)地震波信號(hào)變化選擇異常界面(即75-5號(hào)專回巷左幫與空氣組成的強(qiáng)波阻抗界面)測得速度為v=2.315m/ms，計(jì)算方法如圖4所示。

由于探測介質(zhì)寬度較小，反射波路徑主要通過煤層傳播，因此，可認(rèn)為測得的速度近似為煤層速度。而由于本次發(fā)射共偏移重點(diǎn)探測范圍與煤柱寬度相當(dāng)，若該范圍內(nèi)存在波阻抗界面，其反射波傳播路徑類似于煤柱內(nèi)震波傳播路徑，因此，兩者速度可近似替代。

4 反射共偏移探測及結(jié)果

4.1 探測方案

現(xiàn)場觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖5所示。采用單邊激發(fā)、3道接收的觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，1錘3道沿著平行底板齊腰位置組成一個(gè)直線排列，每激發(fā)1錘，排列向右移動(dòng)1個(gè)步長。共設(shè)計(jì)激發(fā)69錘，步長2m，巷道走向探測范圍共144m，單分量檢波器R1，R2和R3布置在錘擊激發(fā)點(diǎn)右側(cè)，偏移距4m，道間距2m。

4.2 數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)采集每道采樣點(diǎn)數(shù)1024，采樣間隔0.096ms，系統(tǒng)延時(shí)0ms，每道采樣時(shí)間98.21ms，系統(tǒng)增益均為24dB。每次激發(fā)有3道同時(shí)接收，實(shí)際激發(fā)69錘，有效69錘，共采集207道有效數(shù)據(jù)。覆蓋次數(shù)n=1.5，滿足后期數(shù)據(jù)處理要求。通過抽道處理，將全部數(shù)據(jù)按不同偏移距進(jìn)行抽道集，圖6為波形數(shù)據(jù)和對應(yīng)的頻譜分析結(jié)果，圖中各種反射波組特征明顯，反射相位清晰，為解釋和判別提供依據(jù)。

圖6 檢波器R1接收波形及其頻譜分析

4.3 結(jié)果解釋

在地震深度剖面上反射層位表現(xiàn)為同相軸的形式，所以在地震剖面上對反射波的追蹤實(shí)際上就變?yōu)橥噍S的對比。一般而言，具有較強(qiáng)振幅的同相軸是有效反射同相軸的特征；有平滑、足夠長和平行的同相軸通常是同一界面反射波的標(biāo)志；在位置接近的道上振動(dòng)形狀的主要特點(diǎn)基本不變應(yīng)當(dāng)是屬于同一個(gè)波的標(biāo)志。圖7為75-5號(hào)膠帶巷反射共偏移探測結(jié)果。

圖7 75-5號(hào)膠帶巷反射共偏移探測結(jié)果

依據(jù)以上地震資料解釋基本原則，結(jié)合現(xiàn)場情況和相關(guān)的地質(zhì)條件，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖7所示，AC段測試波形與CD段測試波形差異很大，AC段反射波組繁多且特征紊亂，反射同相軸擺動(dòng)劇烈且存在多處斷點(diǎn)，且波尾延續(xù)較長，尤其BC段為甚。而CD段存在多條相鄰的平行同相軸，且連續(xù)性較好。

根據(jù)反射波組特征對有效探測深度(約50m)內(nèi)的異常做出如下推斷：CD段(走向約70m)反射波同相軸粗壯、連續(xù)且平直，推斷其為已掘巷道的表面反射所致，該反射面距離75-5號(hào)膠帶巷約30m。該同相軸延續(xù)至C點(diǎn)后突然中斷，縱向擺動(dòng)幅度較大，在BC段(走向約15m)總體呈傾斜分布，此外，該范圍內(nèi)探測波形振幅相對較小，且波尾延續(xù)長度明顯加大，推斷其為一條與巷道橫向呈小幅度夾角的斷層或破碎帶。AB段(走向約63m)縱向范圍內(nèi)存在多組發(fā)射波，正負(fù)相位頻繁錯(cuò)位，顯然該響應(yīng)非單一斷層面引起，結(jié)合現(xiàn)場資料，推斷其為煤厚變化帶，該異常帶前邊界距離75-5號(hào)膠帶巷13～21m，而后邊界距離75-5號(hào)膠帶巷40～45m，可見巷道未掘段均位于該異常帶內(nèi)。有效探測范圍內(nèi)未見X34陷落柱引起的異常。

4.4 探測結(jié)果驗(yàn)證

現(xiàn)場探測完畢后，75-5號(hào)?；叵镌诤罄m(xù)掘進(jìn)過程中揭露出各種地質(zhì)現(xiàn)象情況，與探測結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 75-5號(hào)膠帶巷反射共偏移探測結(jié)果論證

?；叵飪?nèi)自探測當(dāng)日迎頭后方15m往掘進(jìn)方向，煤層厚度逐漸變薄，巷道挑頂最大厚度約1.3m，這說明煤巖界面的變化是反射波組紊亂的主要原因。迎頭后方15～30m為一破碎帶，頂板及兩幫完整性均較差。?；叵锖罄m(xù)掘進(jìn)及結(jié)束，始終未揭露X34陷落柱。

綜合得出，此次反射共偏移探測效果較好，結(jié)論可靠，對巷道的安全、高效掘進(jìn)起到了較好的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

(1)采用反射共偏移探測技術(shù)有效探測了長144m，深約50m的范圍，探測出了?；叵镆呀衣兜钠扑閹^(qū)，推斷出?；叵镉^前方50m范圍全部處于煤厚變化帶，排除了X34陷落柱對?；叵锞蜻M(jìn)的影響。現(xiàn)場揭露情況證實(shí)了本次探測結(jié)果。

(2)可在鄰近巷道采用反射共偏移探測技術(shù)為本巷道掘進(jìn)進(jìn)行超前探測，技術(shù)實(shí)施簡單方便，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

[1]楊希瑞，劉志文，王 萍，等. 反射共偏移探測技術(shù)在提高煤炭采出率中的應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35(4).

[2]楊春林，武書泉. 老采空區(qū)積水立體綜合集成探放水技術(shù)[J]. 煤礦開采，2010，15(2)：90-94.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

ApplicationofReflectionCommon-offsetExplorationTechnologyinGeologicalTectonicDetectioninDrivingFace

LAN Hang1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Rock Mechanics & Supporting Professional Committee, China Coal Science Association, Beijing 100013, China)

In order to further detecting collapse column explored by 3-d seismic exploration in driving roadway, applying reflection common-offset technology, it was believed that air-return roadway driving would not be influenced by this collapse column, but be influenced by broken zone and coal-seam thickness variation zone.Actual driving proved this conclusion, which showed this technology had practical value for referring roadway's safe driving.

reflection common-offset; driving roadway; tectonic anomaly exploration; collapse column; thickness variation

2014-02-13

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.006

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104086)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK09B01)

藍(lán) 航(1978-)，男，湖北利川人，高級工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)閹r石力學(xué)和沖擊地壓。

藍(lán) 航.反射共偏移探測技術(shù)在掘進(jìn)工作面地質(zhì)異常探測中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2014，19(4)：22-24.

TD15；P631.4 25

A

1006-6225(2014)04-0022-03