孫文斌，祝玉函，牛云飛，杜雯莉

(北京探創(chuàng)資源科技有限公司，山東 濟寧 273500)

近年來，我國華北地區(qū)礦井出現(xiàn)了多起三煤開采底板奧灰突水事故，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，這些事故多為回采工作面底板存在隱伏的導(dǎo)水構(gòu)造所致。底板高承壓巖溶地下水的通道探測,一直是礦山物探所面臨的重點任務(wù)之一[1]。槽波地震勘探方法具備了探測距離大、精度高、抗干擾能力強、波形特征較易識別等優(yōu)點，是目前煤礦井下構(gòu)造探測最先進(jìn)技術(shù)[2-3]。我國大多數(shù)薄-中厚煤層具有較好的槽波賦存條件[2]，在小構(gòu)造探測方面也具有一定優(yōu)勢[4-7]。整體來看槽波勘探技術(shù)應(yīng)用較多，在多個礦井均取得了較好的探測效果[8-11]。但這些成果主要針對回采工作面內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行探測，對底板隱伏構(gòu)造探測方面的研究較少，成果也較少。本文通過對槽波波列中的滑行波進(jìn)行專門處理，對其傳播規(guī)律、采集方法、資料處理解釋技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了對煤層底板隱伏構(gòu)造探測。

1 滑行波探測原理

1.1 滑行波的形成

在煤系地層中，煤層較其頂?shù)装逑啾仁且粋€低速地震槽，具有低速度、低密度、波阻抗低等特性，而煤層與巷道圍巖間的界面結(jié)構(gòu)，通常提供了較好的發(fā)射面。在煤層中激發(fā)地震波，其所激發(fā)的縱波(P波)和橫波(S波)以震源為中心，以球面體波向四周傳播，而以不同的角度入射到頂?shù)装褰缑妫卣鸩ㄈ肷渲粮鞣N巖性的巖層界面時，不僅能形成反射波，而且還能形成透射波，它們之間應(yīng)滿足折射定律。當(dāng)下層介質(zhì)波速高于上層介質(zhì)波速時，隨著入射角增大，折射角也隨之增大，當(dāng)入射角逐漸增至到90°，即發(fā)生全反射現(xiàn)象，則地震波成為沿界面滑行波。

圖1 水平二層介質(zhì)折射波時距曲線示意圖

(1)

1.2 滑行波觀測系統(tǒng)設(shè)計

滑行波探測觀測系統(tǒng)與槽波透射法探測相近，可在一條巷道激發(fā)，在其它巷道內(nèi)接收，從而實現(xiàn)地震波傳播的射線對工作面的全部覆蓋。只是槽波的能量分布與滑行波能量的分布有所不同，因此炮點激發(fā)的位置以及檢波器的布設(shè)位置，尤其是檢波器使用的分量類型與槽波探測有所不同。

在槽波地震觀測系統(tǒng)中，由于受煤礦開采技術(shù)條件的限制，接收點的布置方式只能是沿巷道呈線狀排列。對于反射法，激發(fā)點與接收點布置在同一條巷道內(nèi)；而對于透射法，激發(fā)點與接收點則分別布置在不同的巷道內(nèi)。

對滑行波來說，盡量采用透射法，同時道間距、炮檢距、偏移距、最遠(yuǎn)炮檢距等參數(shù)要合理選用，合適的觀測系統(tǒng)，可以有效壓制部分干擾。在生產(chǎn)施工過程中通過試驗最終確定觀測系統(tǒng)參數(shù)的選擇。

建立如圖2所示的正演模型模擬滑行波在煤層中的傳播方式，在煤層底板以下5 m的位置布置半徑為20 m的陷落柱，共設(shè)置有3個模型進(jìn)行對比，陷落柱長度分別為30 m、50 m 和70 m。在模型上，z=100 m、x=50 m，y=0 m處布置一炮點，接收點位于z=105 m、y=200 m的平面和xoz平面的交線上，道距為1 m，共布置800道檢波點，巖性參數(shù)見表1所示。

圖2 正演模型示意圖

表1 模型圍巖、煤層參數(shù)表

通過正演模擬可見，當(dāng)?shù)装宕嬖谙萋渲鶗r，陷落柱右側(cè)的檢波器接收的滑行波能量發(fā)生了顯著的改變。將滑行波進(jìn)行波場分離以后，研究滑行S波和滑行P波的變化，滑行波在經(jīng)過破碎帶后，地震記錄上出現(xiàn)反射波，最大絕對值振幅明顯衰減，滑行S波衰減嚴(yán)重，經(jīng)過破碎帶后不會重新趨于背景場，但滑行P波衰減要弱于滑行S波，且在越過陷落柱后會重新趨于背景場?；蠵波和滑行S波表現(xiàn)出了不同響應(yīng)特征，從而證實了構(gòu)造對于滑行波具有較大的影響如圖3—圖5所示。

圖3 正演模擬單炮記錄

圖4 不同陷落柱x、y、z三分量滑行橫波最大絕對值振幅

圖5 不同陷落柱x、y、z三分量滑行縱波最大絕對值振幅

2 滑行波數(shù)據(jù)采集處理

2.1 滑行波激發(fā)與接收

在井下煤層中激發(fā)槽波的震源方式通常有兩類：一類為機械震源，如錘擊、可控機電一體化激發(fā)的機械震源；另一類為爆炸震源。由于煤礦井下槽波探測距離相對較大，目前主要使用爆炸震源來激發(fā)槽波，通常選用微秒雷管(也稱瞬發(fā)雷管)以獲取地質(zhì)信息的準(zhǔn)確記錄時間。

接受滑行波時通常采用三分量檢波器，檢波器的布置位置一般固定在錨桿上。相對于在地面的地震勘探來說井下槽波地震勘探對檢波器的要求更高，槽波勘探要求檢波器的輻射特性至少在<1 000 Hz的頻響范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)及一致性。

2.2 滑行波數(shù)據(jù)處理

在煤層中激發(fā)炮點時，煤層頂?shù)装逯行纬傻恼凵淇v波與橫波將沿著煤層頂?shù)装鍌鞑?，此外低頻段的槽波也有一部分能量將沿著煤層頂?shù)装鍌鞑ァ５刭|(zhì)條件發(fā)生變化時，底板中槽波及折射波的能量、頻率、速度等參數(shù)將隨之發(fā)生變化。當(dāng)?shù)装宕嬖跀鄬踊蚱扑閹r，槽波和折射波的能量將發(fā)生顯著的改變。因此，提出針對底板中槽波和折射波能量處理的一系列措施，從而反演出底板中的斷層或破碎帶等構(gòu)造異常體。

由于低頻成分受到底板深部構(gòu)造影響，因此可以用來反演底板深部構(gòu)造情況；同理，高頻成分受到底板淺部構(gòu)造影響，可以用來反演底板淺部構(gòu)造情況，即可以反演出底板不同深度的構(gòu)造情況。數(shù)據(jù)處理方案如圖6所示。

圖6 針對底板不同深度構(gòu)造的槽波透射數(shù)據(jù)處理設(shè)計方案

3 工程實例

為驗證滑行波探測底板構(gòu)造有效性，本文選擇山東某礦進(jìn)行工作面滑行波底板探測試驗。

3.1 工程概況

該工作面主采煤層為3#煤層，工作面走向長1 795 m，傾向長270 m，面積338 390 m2；煤層厚度6.15～9.05 m，平均8.15 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角0～12°，平均5°。

工作面褶曲主要以C9背斜、C8-2向斜為主，受其影響斷層尤為發(fā)育。C9背斜位于工作面西部,煤層產(chǎn)狀變化較大，對掘進(jìn)及回采有較大影響；C8-2向斜位于工作面東部,煤層坡度相對較為平緩。

根據(jù)三維物探資料和相鄰工作面揭露，工作面范圍內(nèi)發(fā)育斷層15條，F(xiàn)S45、FS41、SF18等3條斷層貫穿工作面，對掘進(jìn)及開采影響較大。

工作面底板巖性為泥巖和砂巖，底板與煤層形成了良好的反射界面層，為滑行波的形成創(chuàng)造了有利條件。由于工作面內(nèi)斷層發(fā)育，該工作面地震地質(zhì)條件總體評為良好。

3.2 施工設(shè)計及工作量

本次探測沿運輸順槽布設(shè)檢波器，道間距10 m，共150道，R1-R150；沿軌道順槽布設(shè)炮點，炮間距10 m，共122炮，S1-S122。如表2所示。

表2 滑行波探測工作量

本次滑行波地震探測共采集透射槽波記錄122炮，實際采集110炮，有效數(shù)據(jù)110炮。儀器記錄采樣間隔0.1 ms，記錄長度2 s，所采集數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，所得數(shù)據(jù)全部合格。

3.3 數(shù)據(jù)分析處理

3.3.1預(yù)處理

由于礦井內(nèi)施工空間小，工頻電干擾大，地震數(shù)據(jù)也經(jīng)常受到較大的影響，需要建立觀測系統(tǒng)，初至校正，剔除空道、壞道、不正常道，濾波等預(yù)處理。

3.3.2數(shù)據(jù)矯正

1)幾何擴散矯正。槽波擴散局限在煤層及圍巖中的一個薄層，在一個近似二維空間內(nèi)由振動源向外傳播，槽波波前近似圓柱狀。隨著槽波傳播距離增大，柱狀波前也隨之不斷擴大，能量密度隨之不斷減小。通過研究數(shù)據(jù)可知它的振幅與傳播距離的平方根成反比，并且比球面波波前擴散速度慢。

由于槽波頻散的特性，使槽波傳播距離增大波列不斷散開，槽波振幅也伴隨著按x-1/2衰減頻率不斷衰減；對埃里相來說，按x-1/3的衰減頻率衰減。綜合前文這兩種衰減的幾何因素，對于槽波振幅來說仍將按x-1的規(guī)律進(jìn)行衰減，總的傳播效應(yīng)與球面體波傳播類似。值得注意的是，埃里震相按照x-5/6的衰減速率進(jìn)行衰減，相比于槽波來說其余部分衰減速率要慢。

2)吸收衰減矯正。介質(zhì)的吸收衰減通常使用吸收系數(shù)α來表示。隨著介質(zhì)吸收作用的影響，槽波振幅也按e-ax衰減率衰減。槽波幾何頻散的特性形成了具有高頻、強振幅特性的埃里震相，埃里震相隨著距離x增大成為了頻散槽波波列中的優(yōu)勢震相。但由于介質(zhì)具有的吸收效應(yīng)，又使得高頻的埃里震相隨著x增大面臨強烈衰減，當(dāng)x很大時，在現(xiàn)場操作中又很難測量出。所以，由于介質(zhì)的吸收作用的影響給研究、利用埃里震相造成很多麻煩，也限制了槽波測量范圍的進(jìn)一步拓展。根據(jù)以上討論，槽波雙程lT衰減可按下式計算：

(2)

式中：l為從震源到目標(biāo)的單程距離，m；λA為基階振型L波埃里相波長，m；δ為吸收衰減速率，dB/m。

3.3.3單炮記錄及速度分析

本次地震探測共采集透射記錄122炮，實際采集110炮，有效數(shù)據(jù)110炮。圖7為運順S102炮記錄，可以看出單炮記錄中槽波波列清晰，P波、S波也較清晰，總體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，除少量的異常道外，其余數(shù)據(jù)均可用于成像。該記錄槽波和滑行波發(fā)育，為典型的高質(zhì)量單炮記錄。

圖7 典型原始單炮記錄數(shù)據(jù)(S102炮)

3.3.4透射成像

滑行波在工作面中是沿煤層頂板和底板進(jìn)行傳播的，當(dāng)傳播通道中出現(xiàn)障礙物或當(dāng)傳播通道遭到破壞時，就會導(dǎo)致通過這部分區(qū)域的滑行波在能量上出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的偏差?；诨胁芰康腃T成像技術(shù)正是利用這一原理，通過每條射線接受到的能量差異，反演出勘探工作面內(nèi)目標(biāo)煤層的物性參數(shù)。同時借鑒在醫(yī)學(xué)中獲得成功運用的聯(lián)合代數(shù)重建技術(shù)(SART)對勘探工作面中的目標(biāo)煤層進(jìn)行成像，槽波能量成像處理大致可分為以下幾步：

1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行能量均衡和補償，消除各炮能量不均勻以及檢波器安置的影響。

2)計算滑行波能量。

3)對滑行波能量數(shù)據(jù)進(jìn)行按炮檢距影響因素的能量矯正。

4)CT成像處理。

針對該工作面，首先根據(jù)工作面施工區(qū)域建立一個沿著X方向和Y方向分布的模型，網(wǎng)格尺寸大小約為5 m×5 m。即在X方向271個，在Y方向44個格點。按照CT成像的基本原理，把能量分配到各個網(wǎng)格，進(jìn)行迭代求解，最終獲取此模型上每個網(wǎng)格點的能量分布數(shù)值，最后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)繪制成等值線圖如圖8所示。

圖8 滑行波能量衰減系數(shù)CT成像結(jié)果圖

3.3.5地質(zhì)解釋

斷層對槽波的影響表現(xiàn)在速度、頻率、波形、能量等多個參數(shù)的變化，而其中的能量參數(shù)最為敏感。當(dāng)槽波傳播過程中遇到斷層時，槽波能量將發(fā)生一定程度的改變，當(dāng)斷層的斷距超過0.5倍煤厚，通常槽波埃里相位的能量將發(fā)生明顯的變化。以槽波能量CT圖為主要依據(jù)，并參考了該工作面巷道、鄰近工作面開采情況以及巖巷已揭露的信息等進(jìn)行對比綜合解釋。本次槽波探測共解釋7條斷層。

1)CH-F1斷層在運順和切眼均有揭露，與巷道揭露的3F102、FS3斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NNW，落差0.5～1倍煤厚。由于這兩條斷層距離較小，且位于工作面的邊界部位，槽波探測射線有限，難以區(qū)分出兩條斷層，因此綜合解釋為一條斷層。

2)CH-F2斷層在運順和軌順均有揭露，與巷道揭露的FS45斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NNW，落差h=9.5～15.5 m。受斷層影響，在單炮記錄中有較為明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為槽波能量明顯減弱，在CT圖中有清晰的斷層形態(tài)，因此，主要依據(jù)槽波CT能量圖中的異常形態(tài)與巷道揭露情況進(jìn)行解釋。

3)CH-F3斷層在軌順有揭露，與巷道揭露的3FS45斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NNW，落差約0.5倍煤厚。受斷層影響，在單炮記錄中有較為明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為槽波能量明顯減弱，在CT圖中有清晰的斷層形態(tài)，因此，主要依據(jù)槽波CT能量圖中的異常形態(tài)與巷道揭露情況劃定該斷層。

4)CH-F4斷層在軌順有揭露，與巷道揭露的3F100斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NWW，落差0.5倍煤厚。在單炮記錄中斷層對槽波的影響有較為明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為槽波能量明顯減弱，在CT圖中有清晰的斷層形態(tài)，因此，主要依據(jù)槽波CT能量圖中的異常形態(tài)與巷道揭露情況劃定該斷層。

5)CH-F5斷層在軌順、運順均有揭露，與巷道揭露的FS41、FS42斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向近SN，落差約1倍煤厚。在單炮記錄中有非常明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為槽波能量減弱，在CT圖中有清晰的斷層形態(tài)，因此，主要依據(jù)槽波CT能量圖中的異常形態(tài)與巷道揭露情況進(jìn)行解釋。

6)CH-F6斷層在運順有揭露，與巷道揭露的FS29斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NNE，落差0.5倍煤厚。在單炮記錄中斷層對槽波的影響有較為明顯的反應(yīng)，表現(xiàn)為槽波能量明顯減弱，在CT圖中有清晰的斷層形態(tài)，因此，主要依據(jù)槽波CT能量圖中的異常形態(tài)與巷道揭露情況劃定該斷層。

7)CH-F7斷層位于32y5導(dǎo)線點附近，與巷道揭露的FS27斷層大致對應(yīng)，為實際揭露斷層。依據(jù)揭露情況，該斷層走向NNW，落差0.5倍煤厚。由于該斷層位于工作面邊界區(qū)域，槽波探測射線有限，CT成像時難以成像出斷層的形態(tài)，容易形成異常區(qū)。

4 結(jié)論

本文以煤礦的安全生產(chǎn)需求為基礎(chǔ)，在調(diào)研國內(nèi)外該領(lǐng)域相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，利用礦井槽波探測技術(shù)和滑行波探測技術(shù)對山東某礦回采工作面展開槽波探測及滑行波探測的數(shù)據(jù)采集、處理、分析等相關(guān)研究工作，本文取得如下初步成果：

1)理論研究成果。通過煤礦煤層結(jié)構(gòu)、物性為條件的槽波的頻散特性、衰減特征、速度分布等研究可知，礦區(qū)槽波發(fā)育，槽波、滑行波特征明顯，適合開展礦井地震勘探工作。但部分工作面內(nèi)小斷層等構(gòu)造非常發(fā)育，對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有一定的影響。

2)槽波探測、滑行波探測施工方法與參數(shù)。初步形成了一套槽波探測、滑行波探測的施工方法和施工參數(shù)。

3)槽波探測數(shù)據(jù)處理方法。初步形成了一套槽波探測、滑行波探測的數(shù)據(jù)處理方案，由于煤層內(nèi)小斷層的影響，單炮記錄中的槽波、滑行波信噪比較低，因此，適合采用帶通濾波、直達(dá)波切除、道間插值等方法處理。

4)探測實例。在理論研究和現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，對山東某礦工作面實施槽波、滑行波透射法探測，取得了較為理想的效果，探測成果與地質(zhì)資料較為吻合，可為工作面開采提供地質(zhì)依據(jù)。

5)槽波探測技術(shù)和滑行波探測技術(shù)在煤礦的應(yīng)用前景。通過本研究表明，在工作面開展槽波探測和滑行波探測是可行的，可為煤礦生產(chǎn)與安全保障提供一條可行的技術(shù)途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。