馬彥龍,劉 斌
(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
槽波探測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下工作面內(nèi)小斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)異常體的探測(cè)[1-3]. 槽波探測(cè)技術(shù)分為透射法與發(fā)射法兩種,其中,反射槽波法具有在單條巷道掘進(jìn)完成或者利用工作面一側(cè)巷道向另一側(cè)探測(cè)異常信息、探測(cè)距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),給預(yù)先工作面布置提供地質(zhì)依據(jù)[4-5].
這種方法的有效波是反射槽波信號(hào)。如果槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)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(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)。因此,識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)就能直接判斷出煤層不連續(xù)體的位置,見(jiàn)圖1,激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置在同一巷道內(nèi)[6-9].
當(dāng)震源在煤層中激發(fā)時(shí),由于煤層相對(duì)于頂?shù)装鍑鷰r是一個(gè)低速層,大部分彈性波將由于頂?shù)装褰缑骈g的多次反射被禁錮在煤層中,相互疊加干涉,形成槽波。槽波在巷道內(nèi)被激發(fā)時(shí)將沿煤層傳播,當(dāng)遭遇到斷層等具有波阻差異的構(gòu)造時(shí),一部分的槽波會(huì)發(fā)生反射,形成反射槽波,被震源所在巷道內(nèi)的檢波器接收到。反射槽波法主要利用形成的反射槽波來(lái)探測(cè)異常地質(zhì)構(gòu)造。
反射槽波成像采用繞射波成像算法。由于槽波僅在煤層中傳播,因此槽波的繞射偏移成像一般在煤層所近似的平面內(nèi)完成。設(shè)P(x,y)為平面內(nèi)一點(diǎn),則該點(diǎn)上的疊加振幅為:
式中:
N—總炮數(shù);
M—檢波器數(shù);
A(tij)—第i個(gè)炮集中第j道信號(hào)在tij時(shí)刻的瞬時(shí)振幅;
vg—槽波群速度;
rij—P(x,y)點(diǎn)到第i個(gè)震源點(diǎn)和第j個(gè)接收點(diǎn)的距離的和[7-11].
某礦1224工作面往東煤層未采動(dòng),屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)煤層,厚度在1.2~1.6 m,平均厚度1.4 m,偽頂在0.7~2.9 m,運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)程中,巷道內(nèi)揭露斷層3條(F161、F164、F165),斷距為0.7~4.0 m. 在勘探范圍內(nèi),三維地震解釋較可靠陷落柱DX1,可靠陷落柱DX2、異常區(qū)DY1,探測(cè)區(qū)域?yàn)?224運(yùn)輸順槽往東150 m區(qū)域,見(jiàn)圖2.
圖2 探測(cè)區(qū)域圖(灰色區(qū)域)
1224工作面運(yùn)輸順槽外側(cè)幫炮點(diǎn)與接收點(diǎn)布置:炮眼設(shè)置在煤層中間,垂直于煤壁,深度3.0 m,d42 mm,每個(gè)炮眼300 g乳化炸藥,檢波點(diǎn)道距5 m,炮點(diǎn)道距10 m. 采集槽波一般用SN4-60 HZ縱波檢波器,數(shù)據(jù)采集的采樣間隔為0.25 ms,記錄長(zhǎng)度2 s,布置圖見(jiàn)圖3.
圖3 觀測(cè)系統(tǒng)布置圖(炮點(diǎn),接收點(diǎn))
1) 波場(chǎng)類型與速度分析。
以S38炮為例進(jìn)行初步分析,見(jiàn)圖4,S38單張記錄中顯示4組波,最先到達(dá)的是來(lái)自圍巖的折射縱波,隨后是來(lái)自圍巖的折射橫波,最后到達(dá)的能量團(tuán)是直達(dá)槽波與反射槽波,實(shí)際采集數(shù)據(jù)中包含較高的噪聲,經(jīng)頻譜分析,噪聲成分主要分布在80 HZ以下。為了壓制圍巖折射縱波、折射橫波,提高槽波的信噪比,對(duì)該工作面采集的槽波數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波,然后進(jìn)行CT成像等處理作業(yè)。
圖4 S38炮濾波后數(shù)據(jù)圖
2) 頻散分析。
槽波是典型的頻散波,即槽波的速度隨頻率的改變而變化,通過(guò)軟件計(jì)算出的Love型槽波的頻散特征見(jiàn)圖5. 從圖5可以看出,煤厚1.4 m的埃里相在350 HZ附近,槽波大部分能量分布均集中在埃里相附近。實(shí)際數(shù)據(jù)中包含各種頻率的噪聲,但其噪聲成分大于槽波速度,對(duì)本次數(shù)據(jù)處理影響不大。
圖5 Love型槽波頻散特征圖
3) 處理成果。
槽波具有能量強(qiáng)、速度低、頻散等特點(diǎn)。直達(dá)槽波對(duì)反射槽波的影響很大,頻散特性使槽波具有較長(zhǎng)的波列,致使反射槽波淹沒(méi)在直達(dá)槽波的續(xù)至波列中。因此,在資料處理過(guò)程中需要壓縮槽波波列以增強(qiáng)反射槽波;其次,槽波沒(méi)有明顯的同相軸,無(wú)法直接疊加成像,處理時(shí)根據(jù)巷道揭露斷層情況將成像區(qū)域分為3段,每段劃分若干個(gè)網(wǎng)格單元,依據(jù)反射槽波成像方法,將接收信號(hào)的能量按照反射槽波的傳播路徑進(jìn)行偏移歸位,就可以得到探測(cè)區(qū)域的反射槽波CT成像結(jié)果(圖6). 成像結(jié)果中的條帶狀異常區(qū)域一般與斷層或陷落柱等異常構(gòu)造相對(duì)應(yīng),結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋如下:
CX1:西側(cè)邊界約30 m,位于1224工作面運(yùn)輸順槽東側(cè)Y3導(dǎo)線點(diǎn)東側(cè)約40 m處,三維地震解釋為較可靠陷落柱,與原解釋相比較,西側(cè)邊界往西偏移16 m;CX2:西側(cè)邊界約65 m,位于1224工作面運(yùn)輸順槽靠近切眼以東約40 m處,三維地震解釋異常區(qū)DY1內(nèi),為可靠陷落住,與原解釋相比較西側(cè)邊界偏移了100 m;CX3:西側(cè)邊界約120 m,位于1224工作面運(yùn)輸順槽東側(cè)Y4導(dǎo)線點(diǎn)東側(cè)約42 m處,為槽波新發(fā)現(xiàn)陷落住。
4) 鉆探驗(yàn)證。
經(jīng)過(guò)打鉆驗(yàn)證,解釋3個(gè)陷落柱位置準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上(圖7).
圖6 數(shù)據(jù)處理解釋結(jié)果圖
圖7 鉆探與探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖
1) 反射槽波可以利用單條巷道有效探測(cè)工作面一側(cè)的地質(zhì)構(gòu)造,為工作面布置提供地質(zhì)依據(jù)。
2) 為了更多的形成反射槽波信號(hào),應(yīng)該針對(duì)性的加密道距和炮距。
3) 反射槽波探測(cè)1224工作面結(jié)果得出3個(gè)陷落柱、2條斷層,經(jīng)鉆探驗(yàn)證與探測(cè)結(jié)果相吻合,反映了反射槽波在工作面布置及回采過(guò)程中的重要作用。